一種採空區膨脹材料預應力充填的方法其預應力充填材料的製作方法
2023-04-25 15:26:41 1
一種採空區膨脹材料預應力充填的方法其預應力充填材料的製作方法
【專利摘要】本發明涉及採礦領域。一種採空區膨脹材料預應力充填的方法，其特徵在於它包括如下步驟：1）預應力充填材料的製備：按各原料所佔質量百分數為：過燒氧化鈣粉體20%～80%、水20%～50%、充填骨料0%～60%以及0%～5%添加劑，將過燒氧化鈣粉體、水、充填骨料和添加劑攪伴混合，得到預應力充填材料；2）礦山根據實際需要，在採空區內全部充入預應力充填材料或在充入部分礦山原先使用的充填材料的基礎上，將預應力充填材料通過充填管充入採空區，直至採空區的頂部。預應力充填材料進入採空區一定時間後體積發生膨脹，在充填滿整個採空區後，還會對周邊的巖體產生一定的預應力。該方法及其充填材料不但解決了礦山充填接頂難題，充分限制周邊巖體的變形和位移，改善圍巖的應力分布，還為深部開採和複雜地應力環境下的開採創造良好的條件。
【專利說明】一種採空區膨脹材料預應力充填的方法其預應力充填材料
【技術領域】
[0001]本發明涉及採礦領域，具體為一種採空區膨脹材料預應力充填的方法及其預應力充填材料。
【背景技術】
[0002]地下礦產資源被採出後，開採區域周圍巖體的原始應力平衡狀態受到破壞，應力重新分布以達到新的平衡，巖層及地表產生移動變形和非連續性破壞，導致地表的建築物、水體、耕地、鐵路、橋梁等受到破壞，對地表的自然環境和生態環境造成巨大的不良影響。近年來，人們環保觀念的提高使得因地下開採導致地表發生沉陷引起的一系列問題得到廣泛關注。目前減弱覆巖變形及地表沉陷的技術措施主要有留設保護礦柱法、部分開採法、採空區冒矸空隙注漿充填法、覆巖離層區注漿法和充填法。其中充填法由於具有較高的礦石回收率、能夠有效控制地壓及採空區周邊巖體的變形和位移，充分利用開採廢棄物等優點，是綠色開採的重要組成部分越來越受到重視。
[0003]我國充填技術的發展經歷乾式充填，分級尾沙、河沙等為集料的水砂充填和膠結充填，全尾沙高濃度膠結充填、高水速凝充填和塊石膠結充填以及膏體、似膏體充填。受資金、生產條件等多種因素的影響和制約，我國目前礦山採用的膠凝材料大部分為水泥、粉煤灰或複合膠凝劑等，所用膠凝材料都不具有體積膨脹性能。
[0004]在充填過程中由於受充填料漿自流坡度、充填料漿的泌水性、充填體的自然沉降以及礦房頂板的不規則等多重因素的影響，充填體一直難以充分接頂，通常留有幾十釐米到幾米的空隙，充填體未能接頂而導致充填體未能充分發揮自身的作用，圍巖產生變形和移動未能得到有效控制，導致地壓活動頻繁，片幫冒落嚴重，給礦山安全生產帶來極大的難度，特別在多步驟地下開採活動中，因採空區不能接頂，造成採切工程施工難度大，資源貧化損失大，安全生產受到極大的威脅。採礦人員通過改進生產工藝等多種方法和手段提高充填接頂率，但由於影響充填接頂的各項客觀因素較多，目前所做的努力僅能改善充填接頂效果，卻未能完全解決充填接頂問題。可見礦山在充填開採過程中充填接頂是最難控制也是最重要的一項工藝技術難題(如圖1所示)。
[0005]如今我國經濟的快速發展，對礦產資源的需求越來越大，但經過多年的開採，地表易採資源已接近枯竭，人們的目光不得不轉向更深的地下或一些難動用礦體，由於充填不接頂問題，人們難以有效控制礦體周邊巖體的位移和變形，如何科學有效地解決充填接頂是我國採礦工作者面臨的問題。
[0006]另外，隨著我國高層建築物和重要設施的布局越來越稠密，尤其是高速鐵路、高速公路的縱橫交錯，很多區域對地面沉降提出了嚴格要求。這也對地下採礦工程提出了更高的控制沉陷的技術命題。
【發明內容】
[0007]本發明的目的是提供一種採空區膨脹材料預應力充填的方法及其預應力充填材料，該方法及其充填材料不但解決了礦山充填接頂難題，充分限制周邊巖體的變形和位移，改善圍巖的應力分布，還為深部開採和複雜地應力環境下的開採創造良好的條件。
[0008]為了實現上述目的，本發明所採取的技術方案是:一種採空區膨脹材料預應力充填的方法，其特徵在於它包括如下步驟:
1)預應力充填材料的製備:按各原料所佔質量百分數為:過燒氧化鈣粉體20%?80%、水20%?50%、充填骨料0%?60%以及0%?5%添加劑，各原料所佔質量百分數之和為100%，選取過燒氧化鈣粉體(作為膠凝材料)、水、充填骨料和添加劑；將過燒氧化鈣粉體、水、充填骨料和添加劑攪伴混合，得到預應力充填材料；
2)礦山根據實際需要，在採空區內全部充入預應力充填材料或在充入部分礦山原先使用的充填材料的基礎上，將預應力充填材料通過充填管(即輸送管道)充入採空區，直至採空區的頂部；預應力充填材料進入採空區一定時間後體積發生膨脹，在充填滿整個採空區後，會對周邊的巖體產生一定的預應力。
[0009]所述的充填骨料為山砂、河砂、湖砂、海砂、棒磨砂、風砂、衝擊砂、尾礦等其中的一種或幾種按任意配比的混合。
[0010]所述的添加劑為減水劑、防凍劑或早強劑。
[0011]實現上述方法的預應力充填材料，其特徵在於它由過燒氧化鈣粉體、水、充填骨料和添加劑混合而成，各原料所佔質量百分數為:過燒氧化鈣粉體20%?80%、水20%?50%、充填骨料0%?60%以及0%?5%添加劑，各原料所佔質量百分數之和為100%。
[0012]所述各原料所佔質量百分數最佳為:過燒氧化鈣粉體37.5%?50%、水25%、充填骨料 25% ?37.5%ο
[0013]過燒氧化鈣與水反應後變為氫氧化鈣，同時產生體積膨脹。由於過燒氧化鈣的體積緻密和氫氧化鈣分子體積變大的緣故，其可在原氧化鈣粉體體積的基礎上膨脹3-5倍，並隨之固結。在潮溼條件下，固結的氫氧化鈣會與空氣中的二氧化碳發生還原反應，緩慢還原為碳酸鈣，即石灰石，這一過程其體積變化不大。但這個還原過程很慢。
[0014]本發明所使用的膠凝材料為過燒氧化鈣粉體，或在其他膠凝材料中加入過燒氧化鈣粉體。這種材料與水化合後會產生體積膨脹實現與圍巖接頂。
[0015]本發明是解決礦山充填接頂難題，並在解決充填接頂的基礎上，充填材料對周邊巖體產生一定的預應力，提出預應力充填概念，這種充填方式可以有效的控制圍巖的位移、提高礦柱的強度、改善井下應力分布，有效提高在深部和應力複雜條件下的生產條件。
[0016]本發明的有益效果是:
(I)解決礦山充填接頂難題，過燒氧化鈣與充填骨料、水、添加劑攪伴後充入採空區，過燒氧化鈣與水反應後體積膨脹，充填材料體積增大，逐漸充填滿整個採空區，充分限制周邊巖體的變形和位移。
[0017](2)充填體的膨脹體積受採空區空間尺寸的限制，在膨脹受限後對周邊巖體產生一定的預應力，該預應力力不僅可以提高礦柱的強度，而且能夠有效改善巖體中的應力分布。
[0018](3)解決充填體失效問題，過燒氧化鈣與水反應後生成氫氧化鈣，在潮溼條件下，固結的氫氧化鈣會與空氣中的二氧化碳發生還原反應，緩慢還原為碳酸鈣，即石灰石。井下潮溼的環境正好符合此要求。時間越久，充填體的強度越大，不存在失效問題。[0019](4)常規的膠凝材料，尤其是一些化學複合膠凝、膏體材料，在充填過程中隨水流失會造成地下水系汙染。而石灰是良好的水質淨化消毒劑，本發明的膨脹膠凝材料即使會有少量流失到水體中，也屬環保功能。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0020]圖1是現有採空區充填方法的示意圖。
[0021]圖2是本發明採空區充填過程的示意圖。
[0022]圖3是本發明採空區充填滿後的示意圖。
[0023]圖4是本發明的工藝流程圖。
[0024]圖中:1_圍巖,2_充填管,3_米空區,4_原充填材料,5_預應力充填材料。
【具體實施方式】
[0025]為了更好地理解本發明，下面結合實施例進一步闡明本發明的內容，但本發明的內容不僅僅局限於下面的實施例。
[0026]實施例1:
一種採空區膨脹材料預應力充填的方法，它包括如下步驟:
O預應力充填材料的製備:按各原料所佔質量百分數為:過燒氧化鈣粉體37.5%、水25%、充填骨料37.5%，選取過燒氧化鈣粉體(作為膠凝材料)、水和充填骨料；將過燒氧化鈣粉體、水和充填骨料攪伴混合，得到預應力充填材料；
所述的充填骨料為河砂。
[0027]2)礦山根據實際需要，在充入部分礦山原先使用的充填材料的基礎上，將預應力充填材料通過充填管(即輸送管道)充入採空區，直至採空區的頂部；預應力充填材料進入採空區一定時間後體積發生膨脹，在充填滿整個採空區後，會對周邊的巖體產生一定的預應力。
[0028]採空區的體積為100，預應力充填材料的濃度為75%，充填時預應力充填材料的體積為25，膨脹體積為50?55 ;原充填材料4佔採空區體積70%，應力充填材料進入採空區約1.8小時後，充填滿整個採空區，會對周邊的巖體產生的預應力P約為1.4Mpa。
[0029]該方法及其充填材料不但解決了礦山充填接頂難題，充分限制周邊巖體的變形和位移，改善圍巖的應力分布，還為深部開採和複雜地應力環境下的開採創造良好的條件。
[0030]實施例2:
一種採空區膨脹材料預應力充填的方法，它包括如下步驟:
I)預應力充填材料的製備:按各原料所佔質量百分數為:過燒氧化鈣粉體50%、水25%、充填骨料25%，選取過燒氧化鈣粉體(作為膠凝材料)、水和充填骨料；將過燒氧化鈣粉體、水和充填骨料攪伴混合，得到預應力充填材料；
所述的充填骨料為河砂。
[0031]2)礦山根據實際需要，在充入部分礦山原先使用的充填材料的基礎上，將預應力充填材料通過充填管(即輸送管道)充入採空區，直至採空區的頂部；預應力充填材料進入採空區一定時間後體積發生膨脹，在充填滿整個採空區後，會對周邊的巖體產生一定的預應力。[0032]採空區的體積為100，預應力充填材料的濃度為75%，充填時預應力充填材料的體積為25，膨脹體積為70?80 ;原充填材料4佔採空區體積70%，應力充填材料進入採空區約1.7小時後，充填滿整個採空區，會對周邊的巖體產生的預應力P約為2.5Mpa。
[0033]該方法及其充填材料不但解決了礦山充填接頂難題，充分限制周邊巖體的變形和位移，改善圍巖的應力分布，還為深部開採和複雜地應力環境下的開採創造良好的條件。
[0034]實施例3:
一種採空區膨脹材料預應力充填的方法，它包括如下步驟:
O預應力充填材料的製備:按各原料所佔質量百分數為:過燒氧化鈣粉體37.5%、水25%、充填骨料37%以及0.5%添加劑，選取過燒氧化鈣粉體(作為膠凝材料)、水、充填骨料和添加劑；將過燒氧化鈣粉體、水、充添骨料和添加劑攪伴混合，得到預應力充填材料；
所述的充填骨料為河沙 所述的添加劑為蔡系聞效減水劑。
[0035]2)礦山根據實際需要，在採空區內全部充入預應力充填材料，將預應力充填材料通過充填管(即輸送管道)充入採空區，直至採空區的頂部；預應力充填材料進入採空區一定時間後體積發生膨脹，在充填滿整個採空區後，會對周邊的巖體產生一定的預應力。
[0036]採空區的體積為100，預應力充填材料的濃度為75%，充填時預應力充填材料的體積為25，膨脹體積為65?75 ;原充填材料4佔採空區體積70%，應力充填材料進入採空區約1.6小時後，充填滿整個採空區，會對周邊的巖體產生的預應力P約為2.5?3Mpa。
[0037]在礦山充填中，為了增強充填材料的流動性，可加入減水劑，為了增強充填材料的初期強度，可加入早強劑，在冬季氣溫低於5°C時可加入防凍劑，這些添加劑可一種或幾種混合使用。
[0038]該方法及其充填材料不但解決了礦山充填接頂難題，充分限制周邊巖體的變形和位移，改善圍巖的應力分布，還為深部開採和複雜地應力環境下的開採創造良好的條件。
【權利要求】
1.一種採空區膨脹材料預應力充填的方法，其特徵在於它包括如下步驟: 1)預應力充填材料的製備:按各原料所佔質量百分數為:過燒氧化鈣粉體20%?80%、水20%?50%、充填骨料0%?60%以及0%?5%添加劑，各原料所佔質量百分數之和為100%，選取過燒氧化鈣粉體、水、充填骨料和添加劑；將過燒氧化鈣粉體、水、充填骨料和添加劑攪伴混合，得到預應力充填材料； 2)礦山根據實際需要，在採空區內全部充入預應力充填材料或在充入部分礦山原先使用的充填材料的基礎上，將預應力充填材料通過充填管充入採空區，直至採空區的頂部。
2.根據權利要求1所述的一種採空區膨脹材料預應力充填的方法，其特徵在於:所述各原料所佔質量百分數為:過燒氧化鈣粉體37.5%?50%、水25%、充填骨料25%?37.5%。
3.根據權利要求1所述的一種採空區膨脹材料預應力充填的方法，其特徵在於:所述的充填骨料為山砂、河砂、湖砂、海砂、棒磨砂、風砂、衝擊砂、尾礦中的一種或幾種按任意配比的混合。
4.根據權利要求1所述的一種採空區膨脹材料預應力充填的方法，其特徵在於:所述的添加劑為減水劑、防凍劑或早強劑。
5.實現權利要求1所述方法的預應力充填材料，其特徵在於它由過燒氧化鈣粉體、水、充填骨料和添加劑混合而成，各原料所佔質量百分數為:過燒氧化鈣粉體20%?80%、水20%?50%、充填骨料0%?60%以及0%?5%添加劑，各原料所佔質量百分數之和為100%。
6.根據權利要求5所述的預應力充填材料，其特徵在於:所述各原料所佔質量百分數為:過燒氧化鈣粉體37.5%?50%、水25%、充填骨料25%?37.5%。
【文檔編號】E21F15/00GK103452586SQ201310380966
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2013年8月28日 優先權日:2013年8月28日
【發明者】王力, 錢兆明, 胡磊, 李文利, 任高峰, 夏元友, 褚衍玉, 譚海, 王玉傑 申請人:武漢理工大學