一种新型煤层顶板离层注浆材料及方法技术

本发明专利技术公开了一种新型煤层顶板离层注浆材料，以质量分数计，包括以下组分：15～35份生石灰，65～85份粉煤灰；其中，粉煤灰的水灰比为1∶1～2∶1，生石灰的水灰比为2∶1～8∶1；还公开了一种用于煤层顶板离层注浆方法，本发明专利技术适用于煤炭绿色开采技术领域，立足于废物利用，利用粉煤灰、生石灰制作新型注浆材料，可以解决现有覆岩离层注浆减沉效果差、成本高、注浆孔跑、漏、冒等诸多问题，降低了成本，实现更好的注浆效果。注浆效果。注浆效果。

【技术实现步骤摘要】
一种新型煤层顶板离层注浆材料及方法


[0001]本专利技术属于煤炭绿色开采
，具体是一种新型煤层顶板离层注浆材料及方法。

技术介绍

[0002]据我国国有重点煤矿的不完全统计资料，目前我国”三下”(建筑物下、铁路下和水体下)压煤约137.9亿吨，其中建筑物下压煤为87.6亿吨，而建筑物下压煤中的60％为村庄下压煤。部分矿区建筑物下压煤量十分巨大，已经严重制约了矿区的发展。
[0003]传统开采技术会引起地表塌陷和建筑物破坏，不仅造成矿井采掘接替失衡，还带来巨大经济成本、环境问题和地矿矛盾，导致压占煤炭无法开发利用，降低了资源采出率、缩短了矿区服务年限，阻碍了区域经济发展。随着经济和社会的发展，传统搬迁开采的成本越来越高、实施难度越来越大。条带开采虽能有效控制开采沉陷，但采出率低(小于30％～50％)、工作面短、巷道掘进率高、采煤效率低。实施充填开采能够提高煤炭采出率，但仍面临效率低、成本偏高等问题(许家林等，2004、2011、2019；轩大洋等，2012)。因此，研发高效低成本的建筑物压煤充填开采技术是践行绿色发展理念、维持矿业可持续的重大需求。
[0004]在采场上覆岩层中，对岩体活动起到决定性作用的岩层为关键层。在采场上覆岩层中存在着多层坚硬岩层时，对岩体活动全部起决定作用的岩层称之为主关键层，对岩体活动局部起决定作用的岩层称之为亚关键层(钱鸣高等，1996)。
[0005]覆岩隔离注浆充填是一种有效的建(构)筑物压煤开采方法，其原理是通过高压注浆充填覆岩离层区，来压缩采空区破碎岩体并形成压实区，压实区与工作面之间的隔离煤柱联合控制覆岩关键层变形与破断，从而减小地表沉陷(滕浩，2017)。
[0006]随着采煤工作面的不断推进，在覆岩关键层结构的控制作用下，上覆岩层由下而上成组破断运动，由于未破断关键层阻断了上部载荷向下的传递，导致其下部煤岩层产生卸荷膨胀(包括岩层碎胀和弹性膨胀)。随着关键层破断由下往上发展，覆岩卸荷高度不断增大，产生卸荷膨胀的岩层总厚度不断增大；同时下部卸荷煤岩受上部破断关键层载荷的压实作用不断累积，从而造成覆岩卸荷膨胀总量的不断变化。显然，对于一般煤系地层的覆岩而言，其卸荷膨胀累积量是不可忽略的(许家林等，2020)。
[0007]我国是个产煤大国，以煤炭为电力生产基本燃料。我国的能源工业稳步发展，带来了粉煤灰排放量的急剧增加，燃煤热电厂每年所排放的粉煤灰总量逐年增加，2000年约为1.5亿吨，2020年已达到6.2亿吨，给我国的国民经济建设及生态环境造成巨大的压力。目前，我国粉煤灰的利用率还不到70％。
[0008]生石灰(CaO)遇水生成氢氧化钙(Ca(OH)2)，氢氧化钙遇到二氧化碳(CO2)生成碳酸钙(CaCO3)。石灰消化时，理论需水量为生灰重量的32.13％。因为有一部分水要被蒸发掉，据以实际加水量为理论值的2～3倍。生石灰消化成石灰浆时，通常1千克生石灰约需要2.5千克水。石灰质量愈好，需水愈多，石灰浆一般含水50％左右。
[0009]CaO+H2O＝Ca(OH)2+64.9Kj
[0010]Ca(OH)2+CO2＝CaCO3↓
+H2O
[0011]粉煤灰是指从煤燃烧后的烟气中收捕下来的细灰，是燃煤电厂排出的主要固体废物。粉煤灰颗粒呈多孔型蜂窝状组织，比表面积较大，具有较高的吸附活性，颗粒的粒径范围为0.5～300μm。并且珠壁具有多孔结构，孔隙率高达50％～80％，有很强的吸水性。
[0012]粉煤灰由结晶体、玻璃体及少量未燃炭组成。在结晶体中，有石英(α
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SiO2)和莫来石(3Al2O3·
2SiO2)。玻璃体的主要成分是SiO2和Al2O3。粉煤灰的活性主要来自活性SiO2(玻璃体SiO2)和活性Al2O3(玻璃体Al2O3)在一定碱性条件下的水化作用。因此，粉煤灰中活性SiO2、活性Al2O3和f
‑
CaO(游离氧化钙)都是活性的有利成分，硫在粉煤灰中一部分以可溶性石膏(CaSO4)的形式存在，它对粉煤灰早期强度的发挥有一定作用，因此粉煤灰中的硫对粉煤灰活性也是有利组成。
[0013]周万良等(2009，2010)，粉煤灰:石灰:二水石膏＝65:25:10的粉煤灰
‑
石灰
‑
二水石膏系统(以下简称为FLD)不同龄期的水化产物的数量和形貌进行了分析。3d龄期时FLA中只有很少的钙矾石晶体，此后随龄期增加钙矾石数量显著增加；70d后FLA中都能见到长针状钙矾石；420d后FLA中仍可以发现新的钙矾石生成。说明随着龄期增加新生矿物钙矾石数量增加。
[0014]氢氧化钙(Ca(OH)2)、碳酸钙(CaCO3)以及钙矾石(3CaO
·
Al2O3·
3CaSO4·
32H2O)的生成均可以增加粉煤灰的强度，特别是钙矾石的持续增多，说明其强度还在持续增强。
[0015]覆岩离层注浆充填技术的关键有：关键层的选择、覆岩离层空腔的测量、注浆时机选择、注浆材料、注浆工艺、注浆工序、注浆压力、注浆设备、注浆效果监测等。
[0016]覆岩离层注浆材料的选择是一项至关重要的工作，其决定着覆岩离层注浆减沉效果；同时，注浆工艺也会对覆岩离层注浆减沉效果产生较为是明显的影响。
[0017]参考文献：
[0018][1]许家林，赖文奇，钱鸣高.中国煤矿充填开采的发展前景与技术途径探讨[J].矿业研究与开发，2004(S1)：18～21.
[0019][2]许家林，轩大洋，朱卫兵.充填采煤技术现状与展望[J].采矿技术，2011，11(3)：24～30.
[0020][3]许家林，轩大洋，朱卫兵，等.基于关键层控制的部分充填采煤技术[J].采矿与岩层控制工程学报，2019，1(1)：013504.
[0021][4]轩大洋，许家林，朱卫兵.充填采煤减沉的适用性研究[J].中国煤炭，2012，38(5)：44～48.
[0022][5]钱鸣高，缪协兴，许家林.岩层控制中的关键层理论研究[J].煤炭学报，1996，21(3)：225～230.
[0023][6]滕浩.覆岩隔离注浆充填压实区形成机制研究[D].徐州：中国矿业大学，2017.
[0024][7]许家林，秦伟，轩大洋，等.采动覆岩卸荷膨胀累积效应[J].煤炭学报，2020，45(1)：35～43.
[0025][8]秦小云.寺河煤矿2305工作面覆岩离层注矸石充填减沉技术研究[J].能源技术与管理，2020,45(6)：72
‑
.73，150
[0026][9]周万良，詹炳根，龙靖华.熟料
‑
二水石膏系统和粉煤灰
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石灰
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二水石膏系统的水化产物[J].粉煤灰综合利用，2010(2)：17
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19.
[0027][10]周万良，龙靖华，詹炳根.熟料
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种新型煤层顶板离层注浆材料，其特征在于，以质量分数计，包括以下组分：15～35份生石灰；65～85份粉煤灰；其中，粉煤灰的水灰比为1∶1～2∶1，生石灰的水灰比为2∶1～8∶1。2.如权利要求1所述的一种新型煤层顶板离层注浆材料，其特征在于：所述生石灰中，SiO2、Al2O3、FeO、Fe2O3等四种氧化物质量百分比大于5％，CaO、MgO质量百分比60％；生石灰的细度为0.125mm，过0.125mm方孔筛后筛上剩余物质量低于总质量的20％，生石灰的密度为3200kg/m3。3.如权利要求1所述的一种新型煤层顶板离层注浆材料，其特征在于：所述粉煤灰中，SiO2、Al2O3、Fe2O3质量百分比50％，烧失量小于10％，三氧化二硫质量百分比小于3％，粉煤灰的细度为0.045mm，过0.045mm方孔筛后筛上剩余物质量低于总质量的45％，粉煤灰的密度为2600kg/m3。4.一种新型煤层顶板离层注浆方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)分别建立两个物料输送站，采用三通将粉煤灰输送管道、生石灰输送管道、钻杆连接在一起；(2)在确定最佳注浆时机后，开始注浆，只打开粉煤灰输送管道开关，将粉煤灰源源不断的注入到开采煤层顶板关键层之下的离层空间之中，当泵压达到0.5MPa时，并闭粉煤灰输送管道开关；(3)制作生石灰浆，水灰比采用3∶1～8∶1，先采用高水灰比灰的生石浆，泵压每提高0.10MPa，则降低一个生石灰浆水灰比级；(4)当泵压提高1.10MPa时，将粉煤灰输送管道、生石灰浆输送管道的开关同时打开，观察2...

【专利技术属性】
技术研发人员：王行军，王梓桐，韩效忠，梁敏，马国强，李杨，康建同，
申请(专利权)人：中煤地质集团有限公司，
类型：发明
国别省市：