申请日2018.02.28
公开(公告)日2018.07.20
IPC分类号C04B28/06; C04B111/28; C04B111/34
摘要
本发明涉及煤矿施工领域，特别是指一种生活污泥灰基火区巷道封堵材料及其制备方法。包括以下原料：硅酸盐水泥熟料、铝酸盐水泥、生活污泥灰、焦宝石、聚羧酸减水剂、萘系减水剂、三乙醇胺、氯化钙，二水石膏，硫酸铝、聚丙烯纤维、短切玄武岩纤维以及水。本发明的封堵材料具备耐高温性能，通过铝酸盐水泥、焦宝石骨料、玄武岩纤维三种成分的耦合作用，使得密闭材料在煤矿火区高温气流作用下，仍具备一定抗压及抗裂性能，有效隔离有害气体，实现快速封堵，保证煤矿工人及救护人员的安全。本发明封堵材料制备工艺简单，制备过程中只需将干料按比例混合送入井下，再加入混有外加剂的溶液拌合均匀即可，采用单管输送，极大简化了输送工艺。
权利要求书
1.一种生活污泥灰基火区巷道封堵材料，其特征在于，包括以下重量份的原料：硅酸盐水泥熟料15-20份、铝酸盐水泥10-15份、生活污泥灰15-20份、焦宝石45-60份、聚羧酸减水剂0.06-0.1份、萘系减水剂0.1-0.4份、三乙醇胺0.01-0.015份、氯化钙0.4-0.7份，二水石膏0.6-1份，硫酸铝0.2-0.5份、聚丙烯纤维0.03-0.06份、短切玄武岩纤维0.06-0.12份以及水80-100份。
2.如权利要求1所述的生活污泥灰基火区巷道封堵材料，其特征在于：所述铝酸盐水泥中Al2O3的含量为50-60 wt%，铝酸盐水泥的比表面积≥350 m2/kg。
3.如权利要求1所述的生活污泥灰基火区巷道封堵材料，其特征在于：所述聚羧酸减水剂为粉末状固体，减水率不小于25%，泌水率比不大于60%，比表面积≥200 m2/kg。
4.如权利要求1所述的生活污泥灰基火区巷道封堵材料，其特征在于：所述萘系减水剂为粉末状固体，硫酸钠含量为16%-19%，比表面积≥200 m2/kg。
5.如权利要求1所述的生活污泥灰基火区巷道封堵材料，其特征在于：所述三乙醇胺、氯化钙、二水石膏、硫酸铝的有效成分含量在95%以上，聚丙烯纤维长度为6-12mm。
6.如权利要求1所述的生活污泥灰基火区巷道封堵材料，其特征在于：所述短切玄武岩纤维熔点大于1000℃，单丝抗拉强度大于3000MPa，长度为6-12mm。
7.如权利要求1-6任一项所述的生活污泥灰基火区巷道封堵材料的制备方法，其特征在于，步骤为：
(1)将机械脱水后的生活污泥灰破碎成1cm以下的小块，在100-110℃温度下烘干或自然风干至恒重，将烘干后的污泥放入860-900℃高温炉中煅烧30-60min，之后倒入常温水中急冷，取出后在100-110℃条件下，第二次烘干至恒重，之后放入球磨机中粉磨成比表面积为350-400m2/kg的生活污泥灰粉末;
(2)将硅酸盐水泥熟料放入球磨机中粉磨，用200目筛筛分，取筛分后的硅酸盐水泥熟料粉末备用;
(3)将焦宝石破碎并筛分，取5mm以下的焦宝石颗粒备用;
(4)按比例称取步骤(1)中制备的生活污泥灰粉末、步骤(2)中的硅酸盐水泥熟料粉末，以及铝酸盐水泥和焦宝石颗粒，将四种干料混合，搅拌均匀，得混合料;
(5)按比例称取聚羧酸减水剂、萘系减水剂、三乙醇胺、氯化钙、硫酸铝和水，将氯化钙、硫酸铝、聚羧酸减水剂、萘系减水剂同时加入水中，80-140r/min条件下搅拌20-40min，使其充分溶解，之后再加入三乙醇胺，80-140r/min条件下搅拌5-10min制得混合液;
(6)将步骤(4)得到的混合料与步骤(5)制得的混合液混合，100-120r/min条件下搅拌6-12min，之后分三次加入聚丙烯纤维，再分三次加入短切玄武岩纤维，每次加入后均在100-140r/min条件下搅拌3-5min，最终制得火区巷道封堵材料。
说明书
一种生活污泥灰基火区巷道封堵材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及煤矿施工领域，特别是指一种生活污泥灰基火区巷道封堵材料及其制备方法。
背景技术
随着我国城市人口的不断增多，城市生活污水排放量日益增大，污泥作为污水处理过程中的固体废物，产量也急剧增加，致使污泥的处置问题日益严重。污泥当中大部分为有机腐殖质，同时还含有大量的病原体、微生物以及铜、铅、锌、汞等重金属有害成分，甚至含有少量的微量元素和难降解的有机污染物，如果处理不当，将严重破坏生态环境。目前，我国生活污泥的处理多采用堆放或填埋，这种处理方式占用大量土地资源，同时，污泥中的所含的重金属元素渗透到土壤及水源中，将造成二次污染。生活污泥的无害化处理方式包括作为肥料或者土壤改良剂，生产水泥的原材料、碱激发胶凝材料的活性添加剂以及进行焚烧处理等，其中焚烧处理可大大降低污泥体积，杀死病原体，使有机质碳化，而焚烧产生的污泥灰极少得到有效处理，很容易造成二次污染。
火灾是煤矿主要灾害之一，煤矿井下封闭空间内一旦发生火灾，火势迅速蔓延，产生大量有毒有害气体，甚至引发瓦斯煤尘爆炸，造成严重的人员伤亡与财产损失，为防止煤层自燃所产生的有害气体扩散，需要及时封堵火区巷道，将自燃区、有害气体源或瓦斯聚集区进行隔离，以保障煤矿工人和救护人员的生命安全，因此，研究煤矿火区巷道封堵材料对煤矿安全生产十分重要。
煤矿常用的封堵材料有料石封堵材料、钢筋混凝土封堵材料、高水材料及气囊封堵材料等，其中，料石、钢筋混凝土材料原料数量、重量相对较大，输送艰难，成本高、作业劳动强度大、时间长，在施工方面不具备优势，此外，料石及钢筋混凝土是刚性材质，在承受顶板矿山压力时，密闭墙体很难起到让压作用，极易被压坏，失去密闭作用。高水材料具有良好的流动性，凝结时间短，但在高温环境中，强度、密实性大幅降低，极易破坏，失去封堵作用。气囊密闭虽然能够快速地隔绝采空区，但难以填充到每个缝隙和低凹处，气囊极易被巷道壁面岩石或其它尖锐物划破，其承载能力有限，只能作为临时密闭。传统的封堵材料均有自身的局限性，在矿井火灾治理工作中，急需一种便于施工、耐高温、可快速构筑、在矿山压力作用下仍能保证密闭性的火区巷道封堵材料。
发明内容
本发明提出一种生活污泥灰基火区巷道封堵材料及其制备方法，解决了传统的封堵材料均有自身的局限性，在矿井火灾治理工作中，急需一种便于施工、耐高温、可快速构筑、在矿山压力作用下仍能保证密闭性的火区巷道封堵材料的技术问题。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种生活污泥灰基火区巷道封堵材料，包括以下重量份的原料：硅酸盐水泥熟料15-20份、铝酸盐水泥10-15份、生活污泥灰15-20份、焦宝石45-60份、聚羧酸减水剂0.06-0.1份、萘系减水剂0.1-0.4份、三乙醇胺0.01-0.015份、氯化钙0.4-0.7份，二水石膏0.6-1份，硫酸铝0.2-0.5份、聚丙烯纤维0.03-0.06份、短切玄武岩纤维0.06-0.12份以及水80-100份。
所述铝酸盐水泥中Al2O3的含量为50-60 wt%，铝酸盐水泥的比表面积≥350 m2/kg。
所述聚羧酸减水剂为粉末状固体，减水率不小于25%，泌水率比不大于60%，比表面积≥200 m2/kg。
所述萘系减水剂为粉末状固体，硫酸钠含量为16%-19%，比表面积≥200 m2/kg。
所述三乙醇胺、氯化钙、二水石膏、硫酸铝的有效成分含量在95%以上，聚丙烯纤维长度为6-12mm。
所述短切玄武岩纤维熔点大于1000℃，单丝抗拉强度大于3000MPa，长度为6-12mm。
所述的生活污泥灰基火区巷道封堵材料的制备方法，步骤为：
(1)将机械脱水后的生活污泥灰破碎成1cm以下的小块，在100-110℃温度下烘干或自然风干至恒重，将烘干后的污泥放入860-900℃高温炉中煅烧30-60min，之后倒入常温水中急冷，取出后在100-110℃条件下，第二次烘干至恒重，之后放入球磨机中粉磨成比表面积为350-400m2/kg的生活污泥灰粉末;
(2)将硅酸盐水泥熟料放入球磨机中粉磨，用200目筛筛分，取筛分后的硅酸盐水泥熟料粉末备用;
(3)将焦宝石破碎并筛分，取5mm以下的焦宝石颗粒备用;
(4)按比例称取步骤(1)中制备的生活污泥灰粉末、步骤(2)中的硅酸盐水泥熟料粉末，以及铝酸盐水泥和焦宝石颗粒，将四种干料混合，搅拌均匀，得混合料;
(5)按比例称取聚羧酸减水剂、萘系减水剂、三乙醇胺、氯化钙、硫酸铝和水，将氯化钙、硫酸铝、聚羧酸减水剂、萘系减水剂同时加入水中，80-140r/min条件下搅拌20-40min，使其充分溶解，之后再加入三乙醇胺，80-140r/min条件下搅拌5-10min制得混合液;
(6)将步骤(4)得到的混合料与步骤(5)制得的混合液混合，100-120r/min条件下搅拌6-12min，之后分三次加入聚丙烯纤维，再分三次加入短切玄武岩纤维，每次加入后均在100-140r/min条件下搅拌3-5min，最终制得火区巷道封堵材料。
火区巷道封堵原材料中各成分的作用如下：
生活污泥煅烧水淬之后制得的污泥灰，主要矿物相为石英、钙镁橄榄石、石膏、镁铝榴石、钙长石等，这些矿物在硅酸盐水泥提供的碱性溶液中，会发生水化反应生成水化硅酸钙、水化铝酸钙凝胶，增加封堵材料强度，此外，生活污泥灰经高温水淬之后，产生大量的玻璃相物质，其中含有大量活性Al2O3，SiO2，在激发剂的作用下，可生成钙矾石、AFm族矿物晶体，这些晶体相互搭接、填充，进一步增加封堵材料强度。煅烧生活污泥灰微观形貌如图1所示。
铝酸盐水泥作为胶凝材料，主要有两方面作用，第一，铝酸盐水泥的主要成分为铝酸一钙和二铝酸一钙，与水反应会生成CaO·Al2O3·10H2O，2CaO·Al2O3·8H2O及Al(OH)3凝胶，部分CaO·Al2O3·10H2O和2CaO·Al2O3·8H2O与二水石膏继续反应生成3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O(钙矾石)、3CaO·Al2O3·CaSO4·12H2O(低硫型水化硫铝酸钙)，这两种水化产物含量大量结晶水，从而保证封堵材料固结后不脱水，此外，钙矾石为针状晶体，CaO·Al2O3·10H2O、2CaO·Al2O3·8H2O、3CaO·Al2O3·CaSO4·12H2O为片状晶体，这些水化产物相互交错搭接，与硅酸盐水泥熟料水化生成的C-S-H凝结共同构成了封堵材料的主体强度;第二，铝酸盐水泥固结后，具有一定的耐高温性能，在火区高温气流的作用下，仍能保证强度和密闭性，硅酸盐水泥熟料的加入，作为胶凝材料，水化生成大量C-S-H凝胶，提高封堵材料后期强度，改善材料的耐久性，同时，硅酸盐水泥熟料水化生成的Ca(OH)2，增加了溶液PH值，促进生活污泥灰的水化反应。
焦宝石作为封堵材料的骨料，一方面在封堵材料中通过嵌固或直接接触形成骨架，提高材料强度，另一方面焦宝石具有突出的耐火性能，受高温热流作用(≤1000℃)，体积变化小，强度高，稳定性强，对封堵材料耐高温性能有重要贡献。
聚羧酸减水剂、萘系减水剂的掺入，具有分散水泥及污泥灰颗粒，增加流动性的作用，三乙醇胺、氯化钙、二水石膏、硫酸铝主要用来激发污泥灰的火山灰活性，其中，封堵材料溶液中Ca2+和Fe3+等阳离子可以同三乙醇胺中N原子的一对未共用电子作用生成易溶于水的络合离子，从而提高了硅酸盐水泥颗粒表面的溶解性，促进水泥水化，煤矿火区巷道封堵过程中，需要封堵材料快速凝固，及时隔离火区，硫酸铝及二水石膏的加入，与硅酸盐水泥熟料水化产生的Ca(OH)2再次反应，增加了钙矾石的产量及生成速率，从而促进了封堵材料凝结。
聚丙烯纤维的熔点只有168 ℃，当封堵材料受到高温作用，内部的聚丙烯纤维将会熔解成液态，体积减小，形成大量孔隙，这些孔隙相互连接，为封堵材料内部水分的分解蒸发提供了通道，缓解了由于水分蒸发产生的蒸汽压力，从而降低封堵材料裂纹扩展速率;玄武岩纤维可长期在760 ℃环境下使用，其耐高温性能远优于聚丙烯纤维，在高温环境中，玄武岩纤维不熔化，起到“锚固”作用，可限制封堵材料裂隙的引发及扩展，减小材料内部缺陷，提高材料的密闭性能及力学性能，封堵材料固结体微观形貌如图3所示。
本技术方案能产生的有益效果：
1. 本发明的封堵材料具备耐高温性能：通过铝酸盐水泥、焦宝石骨料、玄武岩纤维三种成分的耦合作用，使得密闭材料在煤矿火区高温气流作用下，仍具备一定抗压及抗裂性能，有效隔离有害气体，保证煤矿工人及救护人员的安全，这也是本发明的最大优势。
2. 本发明的封堵材料可实现快速封堵：本发明封堵材料制备工艺简单，制备过程中只需将干料按比例混合送入井下，再加入混有外加剂的溶液拌合均匀即可，采用单管输送，极大简化了输送工艺。通过调整铝酸盐水泥及硫酸铝掺量，可调整密闭材料的凝结时间，使得封堵材料充入模板后，在短时间内固结，实现快速封堵火区。
3. 本发明的封堵材料早期强度高，成本低：通过调整铝酸盐水泥、三乙醇胺、氯化钙、二水石膏、硫酸铝的掺量，可大幅提高封堵材料早期强度，这为封堵材料在矿山压力作用下，仍具备良好的密闭性能提供保障，生活污泥灰替代部分铝酸盐水泥，可降低材料成本，促进封堵材料的推广。
4. 本发明的封堵材料实现生活污泥资源化再利用：我国生活污泥排量在4000万t/a以上，污泥灰煅烧后，能够杀死病菌、碳化有机质，减小污泥体积，利用生活污泥灰制备封堵材料送入深部地下，可最大程度降低生活污泥对环境的污染，实现固体废弃物大规模再利用。
