一種利用咖啡渣製備煤礦殘採區充填膏體的方法與流程
2023-10-06 22:55:09 1
本發明涉及煤礦膠結充填材料技術領域，尤其是涉及一種利用咖啡渣製備煤礦殘採區充填膏體的方法，主要適用於煤礦地下殘採區的治理。
背景技術：
受先期地方小煤窯的私挖濫採等影響，我國地下殘採區的賦存面積逐年增加。地下殘採區的廣泛分布容易引發地表開裂與沉陷、棄採煤炭資源自然發火、有毒氣體洩露等災害，進而嚴重影響地表建築物、水體和鐵路等的穩定性。同時，地下殘採區遺留煤柱群縱橫交錯，其在長期集中載荷、鄰近煤層採動影響、採空區積水、自然發火和地層高溫等因素的耦合作用下，會由表及裡地發生片幫冒落，進而發生承載面積減小和支撐強度弱化等現象，並引發坍塌破壞。當採場遺留煤柱瞬時失穩產生的衝擊波轉移擴散到鄰近煤柱時，可能引發採場遺留煤柱的鏈式失穩與破壞，進而引發前述動力災害，威脅群眾的生命財產安全。
近年來，地下殘採區的治理越來越成為廣大技術人員與研究學者關注的焦點。膏體充填技術是合理治理殘採區的重要舉措，其不僅能充分利用煤矸石、粉煤灰和廢棄混凝土等堆積物，而且可以科學地預防和控制殘採區動力災害的發生，並保障可持續發展。然而，由於地下殘採區的賦存面積較大，加之煤矸石、粉煤灰和廢棄混凝土的來源範圍小，其在數量上難以滿足膏體充填治理煤礦地下殘採區的需求。因此，亟需一種成本較低、來源範圍廣泛且滿足強度要求和輸送要求的殘採區膏體充填材料來解決上述問題。
咖啡是世界三大飲料之一。咖啡在製備過程中會產生大量的渣，其重量約佔咖啡幹豆的2/3。目前，我國的咖啡渣大多被當作廢棄物丟棄，導致地面大量「褐色垃圾」的堆放，這不僅佔用了大量寶貴的土地資源，消耗了過多的堆放場地建設和管理費用，而且極易造成對土壤和周圍環境等造成汙染。隨著咖啡渣堆放場地及其環境汙染等問題的凸顯，咖啡渣的資源化利用成為亟需解決的問題。
綜上，亟需尋找一種既能解決殘採區膏體充填材料來源範圍小的問題，又能合理有效地利用廣泛堆積咖啡渣的方法，進而科學地預防和避免殘採區動力災害的發生，並緩減咖啡生產過程中廢棄物處理的環保壓力。
技術實現要素：
本發明旨在提供一種利用咖啡渣製備煤礦殘採區充填膏體的方法，不僅解決了殘採區膏體充填材料來源範圍小的問題，可以科學地預防和控制殘採區動力災害的發生、保障可持續發展，而且合理高效地利用了廣泛堆積的咖啡渣、減輕了對周圍環境的汙染危害。
本發明是通過以下技術方案實現的：
一種利用咖啡渣製備煤礦殘採區充填膏體的方法，在測試咖啡渣含水率、顆粒直徑、滲透係數和膨脹係數的基礎上，通過球磨得到了製備煤礦殘採區充填膏體的超細粉體，然後對煤矸石進行了破碎和篩分，得到了製備煤礦殘採區充填膏體的粗骨料和細骨料，最後對超細粉體溶液進行了中和，並輔以水、減水劑、早強劑、膨脹劑和緩凝劑，混合均勻，製備得到煤礦殘採區的充填膏體。所述技術方案具體按照以下步驟進行：
（1）收集工業廢棄咖啡渣，分揀清理雜質和具備放射性、重金屬汙染的成分；
（2）測試咖啡渣的含水率、顆粒直徑、滲透係數和膨脹係數，選取滿足下述要求的咖啡渣：
含水率為10%~80%，顆粒直徑≤20mm，滲透係數為0.9×10-5cm/sec~3.6×10-5cm/sec，膨脹係數為3.0×10-6~3.6×10-5；
（3）將步驟（2）選取的咖啡渣進行球磨，得到製備煤礦殘採區充填膏體的超細粉體；
（4）利用顎式破碎機對煤矸石進行破碎，並將粒徑大於15mm的煤矸石顆粒進行二次破碎，使篩分得到的煤矸石顆粒直徑分布均小於15mm；
（5）分別用網眼為5mm和15mm的振動篩將步驟（4）中破碎的煤矸石進行篩分，得到製備煤礦殘採區充填膏體的細骨料和粗骨料；
（6）利用步驟（3）製備的超細粉體，配製質量濃度為60%的咖啡渣水溶液，測試其pH值；
（7）向步驟（6）中製備的咖啡渣溶液中緩慢注入中和液，使其pH=7；
（8）向步驟（7）得到的漿液中加入粗骨料、細骨料和調節劑，混合均勻後，得到質量濃度為75%~90%的煤礦殘採區充填膏體。
優選地，所述的步驟（3）中製備煤礦殘採區充填膏體的超細粉體的比表面積大於300m2/kg。
優選地，所述的步驟（5）中，粒徑為1mm~5mm的煤矸石為細骨料，粒徑為5mm~15mm的煤矸石為粗骨料。
優選地，所述的步驟（7）中，中和液為鹽酸、硫酸、硝酸或醋酸中的一種或幾種，其能有效地避免咖啡渣對地下水位的侵蝕。
優選地，所述的步驟（8）製備的充填膏體各組分的重量配比為：粗骨料：15%~40%；細骨料：20%~30%；超細粉體：12%~20%；水：27%~33%；調節劑：1%~2%。
優選地，所述的步驟（8）中調節劑包括減水劑、早強劑、膨脹劑和緩凝劑，其中減水劑選用密胺系減水劑或聚羧酸系高效減水劑，其能在殘採區充填膏體和易性不變的情況下，減少拌合用水量並提高其強度性能；早強劑選用氯化鈣、無水硫酸鈉或三乙醇胺，其能夠提高殘採區充填膏體的早期抗壓強度；膨脹劑選用氧化鎂，其能夠引發殘採區充填膏體的體積膨脹，進而產生一定的預應力，實現控制收縮開裂；緩凝劑選用葡萄糖酸鈉或檸檬酸鈉，其能夠延遲殘採區充填膏體的硬化時間。
進一步地，所述調節劑各組分的重量配比為：減水劑：20%~50%；早強劑：10%~50%；膨脹劑：10%~50%；緩凝劑：20%~50%。
本發明的有益效果：
該發明在測試咖啡渣含水率、顆粒直徑、滲透係數和膨脹係數的基礎上，通過球磨得到了製備煤礦殘採區充填膏體的超細粉體，然後對煤矸石進行了破碎和篩分，得到了製備煤礦殘採區充填膏體的粗骨料和細骨料，最後對超細粉體溶液進行了中和，並輔以水、減水劑、早強劑、膨脹劑和緩凝劑，混合均勻，製備得到煤礦殘採區的充填膏體。本發明不僅解決了殘採區膏體充填材料來源範圍小的問題，可以科學地預防和控制殘採區動力災害的發生、保障可持續發展，而且合理高效地利用了廣泛堆積的咖啡渣、減輕了對周圍環境的汙染危害。
具體實施方式
為了對本發明的技術目標、特徵和效果有更清楚的理解，現對一種利用咖啡渣製備煤礦殘採區充填膏體的方法作進一步詳細的闡述與說明。
實施例1：
步驟一，收集廢棄咖啡渣，分揀排除雜質和具備放射性、重金屬汙染的成分。
步驟二，按照《土工實驗方法標準》（GB/T50123—1999）介紹的方法測試咖啡渣的含水率、顆粒直徑、滲透係數和膨脹係數，結果表明：咖啡渣呈現粉粒狀，含水率為54.5%，顆粒直徑≤18mm，滲透係數為1.5×10-5cm/sec，膨脹係數為6.0×10-6；
步驟三，採用X射線螢光光譜分析、極譜分析、電子探針分析、原子吸收光譜分析和發射光譜分析相結合的方法來檢測咖啡渣的化學成分，結果表明：纖維素的含量佔54.5%，半纖維素的含量佔25.1%，木質素的含量為14.7%。
步驟四，將上述選取的咖啡渣進行球磨，得到製備煤礦殘採區充填膏體的超細粉體，其比表面積為340m2/kg；
步驟五，利用顎式破碎機對煤矸石進行破碎，並將粒徑大於15mm的煤矸石顆粒進行二次破碎，使篩分得到的煤矸石顆粒粒徑分布均小於15mm；
步驟六，分別用網眼為5mm和15mm的振動篩將破碎的煤矸石進行篩分，得到製備煤礦殘採區充填膏體的細骨料和粗骨料，其中細骨料的粒徑為1mm~5mm，粗骨料的粒徑為5mm~15mm；
步驟七，利用步驟四製備的超細粉體，配製質量濃度為60%的水溶液，並採用pH計測試其pH值，結果表明：咖啡渣溶液的pH值為8.1；
步驟八，採用酸式滴定管，逐漸向步驟七得到的咖啡渣溶液中注入稀鹽酸，使其pH=7；
步驟九，向步驟八得到的超細粉體漿液中加入粗骨料、細骨料和調節劑，混合均勻後，得到質量濃度為73%的煤礦殘採區充填膏體，充填膏體中各組分的重量分別為：粗骨料32kg，細骨料20kg，超細粉體20kg，水27kg，聚羧酸系高效減水劑0.20kg，無水硫酸鈉0.30kg，氧化鎂0.25kg，葡萄糖酸鈉0.25kg。
採用塌落度筒測定殘採區充填膏體的坍落度為16cm、擴展度為42cm，採用ICAR流變儀測試殘採區充填膏體的剪切屈服應力為328Pa、塑性粘度為7.9Pa·s，前述參數均滿足煤礦殘採區充填膏體流動性能的要求；利用本實施例所得的殘採區充填膏體製備標準試樣，採用微機控制電液伺服萬能試驗機測試殘採區充填試樣在第28天的單軸抗壓強度，其值為9.12MPa。綜上，符合殘採區充填膏體的輸送性能和力學性能的要求，其可以被廣泛推廣用於煤礦殘採區的治理。
實施例2：
步驟一，收集廢棄咖啡渣，分揀排除雜質和具備放射性、重金屬汙染的成分。
步驟二，按照《土工實驗方法標準》（GB/T50123—1999）介紹的方法測試咖啡渣的含水率、顆粒直徑、滲透係數和膨脹係數，結果表明：咖啡渣呈現粉粒狀，含水率為54.5%，顆粒直徑≤18mm，滲透係數為1.5×10-5cm/sec，膨脹係數為6.0×10-6；
步驟三，採用X射線螢光光譜分析、極譜分析、電子探針分析、原子吸收光譜分析和發射光譜分析相結合的方法來檢測咖啡渣的化學成分，結果表明：纖維素的含量佔54.5%，半纖維素的含量佔25.1%，木質素的含量為14.7%。
步驟四，將上述選取的咖啡渣進行球磨，得到製備煤礦殘採區充填膏體的超細粉體，其比表面積為340m2/kg；
步驟五，利用顎式破碎機對煤矸石進行破碎，並將粒徑大於15mm的煤矸石顆粒進行二次破碎，使篩分得到的煤矸石顆粒粒徑分布均小於15mm；
步驟六，分別用網眼為5mm和15mm的振動篩將破碎的煤矸石進行篩分，得到製備煤礦殘採區充填膏體的細骨料和粗骨料，其中細骨料的粒徑為1mm~5mm，粗骨料的粒徑為5mm~15mm；
步驟七，利用步驟四製備的超細粉體，配製質量濃度為60%的水溶液，並採用pH計測試其pH值，結果表明：咖啡渣溶液的pH值為8.1；
步驟八，採用酸式滴定管，逐漸向步驟七得到的咖啡渣溶液中注入稀鹽酸，使其pH=7；
步驟九，向步驟八得到的超細粉體漿液中加入粗骨料、細骨料和調節劑，混合均勻後，得到質量濃度為70%的煤礦殘採區充填膏體，充填膏體中各組分的重量分別為：粗骨料31kg，細骨料20kg，超細粉體18kg，水30kg，聚羧酸系高效減水劑0.20kg，無水硫酸鈉0.30kg，氧化鎂0.25kg，葡萄糖酸鈉0.25kg。
採用塌落度筒測定殘採區充填膏體的坍落度為15cm、擴展度為40cm，採用ICAR流變儀測試殘採區充填膏體的剪切屈服應力為319Pa、塑性粘度為8.1Pa·s，前述參數均滿足煤礦殘採區充填膏體流動性能的要求；利用本實施例所得的殘採區充填膏體製備標準試樣，採用微機控制電液伺服萬能試驗機測試殘採區充填試樣在第28天的單軸抗壓強度，其值為9.52MPa。綜上，符合殘採區充填膏體的輸送性能和力學性能的要求，其可以被廣泛推廣用於煤礦殘採區的治理。
實施例3：
步驟一，收集廢棄咖啡渣，分揀排除雜質和具備放射性、重金屬汙染的成分。
步驟二，按照《土工實驗方法標準》（GB/T50123—1999）介紹的方法測試咖啡渣的含水率、顆粒直徑、滲透係數和膨脹係數，結果表明：咖啡渣呈現粉粒狀，含水率為54.5%，顆粒直徑≤18mm，滲透係數為1.5×10-5cm/sec，膨脹係數為6.0×10-6；
步驟三，採用X射線螢光光譜分析、極譜分析、電子探針分析、原子吸收光譜分析和發射光譜分析相結合的方法來檢測咖啡渣的化學成分，結果表明：纖維素的含量佔54.5%，半纖維素的含量佔25.1%，木質素的含量為14.7%。
步驟四，將上述選取的咖啡渣進行球磨，得到製備煤礦殘採區充填膏體的超細粉體，其比表面積為340m2/kg；
步驟五，利用顎式破碎機對煤矸石進行破碎，並將粒徑大於15mm的煤矸石顆粒進行二次破碎，使篩分得到的煤矸石顆粒粒徑分布均小於15mm；
步驟六，分別用網眼為5mm和15mm的振動篩將破碎的煤矸石進行篩分，得到製備煤礦殘採區充填膏體的細骨料和粗骨料，其中細骨料的粒徑為1mm~5mm，粗骨料的粒徑為5mm~15mm；
步驟七，利用步驟四製備的超細粉體，配製質量濃度為60%的水溶液，並採用pH計測試其pH值，結果表明：咖啡渣溶液的pH值為8.1；
步驟八，採用酸式滴定管，逐漸向步驟七得到的咖啡渣溶液中注入稀鹽酸，使其pH=7；
步驟九，向步驟八得到的超細粉體漿液中加入粗骨料、細骨料和調節劑，混合均勻後，得到質量濃度為72%的煤礦殘採區充填膏體，充填膏體中各組分的重量分別為：粗骨料27kg，細骨料30kg，超細粉體14kg，水28kg，聚羧酸系高效減水劑0.20kg，無水硫酸鈉0.30kg，氧化鎂0.25kg，葡萄糖酸鈉0.25kg。
採用塌落度筒測定殘採區充填膏體的坍落度為17cm、擴展度為44cm，採用ICAR流變儀測試殘採區充填膏體的剪切屈服應力為316Pa、塑性粘度為8.2Pa·s，前述參數均滿足煤礦殘採區充填膏體流動性能的要求；利用本實施例所得的殘採區充填膏體製備標準試樣，採用微機控制電液伺服萬能試驗機測試殘採區充填試樣在第28天的單軸抗壓強度，其值為9.35MPa。綜上，符合殘採區充填膏體的輸送性能和力學性能的要求，其可以被廣泛推廣用於煤礦殘採區的治理。
以上所述為本發明的優選實施方式，應當指出，在不脫離本發明所述技術實質與原理的前提下對上述實施方法作出的任何改進與修潤，均屬於本發明技術方案的保護範圍。