【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及煤矿开采，具体涉及一种尾气零排放的低活性工业固废充填材料研制方法。
技术介绍
1、随着传统采矿作业导致环境问题的日益突显及人类环保意识的增强，绿色开采已成为煤炭行业转型发展的必由之路。然而矿产开发、工业生产过程中滞留大量低活性工业固废，不仅侵占土地，而且带来严重的环境问题。充填开采是解决上述问题的有效途径，如能在充填骨料中添加低活性工业固废，再利用酸性工业尾气与碱性激发剂反应产物充当部分粘结剂配合胶凝材料形成承载强度，改进传统的水泥基充填材料及其能源结构，既缓解工业固废堆积、工业尾气排放的环保压力，又可克服目前充填材料相对短缺的困难。因此，针对我国煤炭资源绿色开采与低碳利用的现实要求，研制节能、环保、廉价的充填材料，实现零碳乃至负碳开采是煤矿行业转型发展的主要途径之一。
2、针对上述问题，本专利技术拟公开一种尾气零排放的低活性工业固废充填材料研制方法。该方法将低活性工业固废综合利用、工业尾气矿化捕集与煤矿绿色开采相结合，通过机械活化、化学活化、外加剂调配、正交试验、性能评估等环节，给出一组充填材料配比方案作为初始条件，再通过对优选方案的比选及对控制变量的调整对初始条件进行论证和优化，最终获得一种原料广泛、节能减排、成本低廉、性能优良的工业固废充填材料。
3、该方法不仅在促进采矿行业节能降碳、综合利用矿产资源、保护矿区生态环境等方面具有重要的环保价值，而且在我国煤炭行业绿色转型发展的探究方面具有指导意义与科学价值。
技术实现思路
1、针对现有技术
2、为实现上述技术目的，本专利技术公开一种尾气零排放的低活性工业固废充填材料研制方法，步骤如下：
3、步骤一、根据充填开采条件，因地制宜，选择廉价且足量的低活性工业固废作为主要原料，采用破碎、研磨的方式进行机械活化，获得固废颗粒与固废微粉，收集工业尾气后去除氮气和氧气形成处理过的工业尾气备用；其中固废颗粒是充填材料的主要承载结构；固废微粉与工业尾气是研制充填材料粘结剂的原料，用来替代传统充填材料中的部分水泥；
4、步骤二、将固废微粉和水混合后在密封环境下边搅拌边通入除了收集工业尾气，之后加入碱盐复合剂进行化学活化，继续边搅拌边通入工业尾气得到粘结剂初浆，向粘结剂初浆中加入外加剂边搅拌边通入工业尾气直至达到要求得到粘结剂；
5、步骤三、将粘结剂、水泥、固废颗粒及水按照不同的比例进行混合即可得到低活性工业固废充填材料；由于不同的成分比例对低活性工业固废充填材料的成品存在影响，因此先考虑将粘结剂分解为水泥、其余所有干料和水，所述其余所有干料为制备粘结剂过程添加的物料，包括固废微粉和碱盐复合剂；在粘结剂添量和成分不再改变的前提下，先设定水泥、固废颗粒、其余所有干料、水的质量比为1：5.06：2.53：3.65进行初步调配；之后将水泥、固废颗粒与水作为控制变量，采用正交试验的方式调节充填材料的强度，控制变量可作正向(增加)或反向(减少)调节，水和水泥调节步距为初步调配条件中质量的10％，固废颗粒的调节步距为初步调配条件中质量的5％；以施工现场采矿地质条件所必需的强度作为目标，仅考虑标准充填材料试件凝固28d的单轴抗压强度，得到多种不同配比但是均满足强度要求的低活性工业固废充填材料预选方案；
6、步骤四、根据步骤三中得到的多种满足强度要求的低活性工业固废充填材料预选方案，设定低活性工业固废充填材料中水泥、固废颗粒及水的质量上限和下限，对该配比范围内充填材料的运输属性和力学属性进行评估，进一步判断是否满足井下煤炭开采的生产需求，若不满足，则按“针对优选方案的比选”以及“针对控制变量的调整”两个层次分步论证，对预选方案进行调整和优化，直至得到满足生产需求的最佳配比方案，具体方法如下：
7、针对优选方案的比选层次为针对优选方案的比选，即校验步骤三中的预选方案，判断能否选出同时满足运输属性和力学属性的方案，若不能再进行针对控制变量的调整层次的论证；
8、针对控制变量的调整层次为针对控制变量的调整，遵循两个固体控制变量不同时变化的原则，根据步骤三中水泥、固废颗粒、水的质量比为1：5.06：3.65的方案作为初始质量比；若只需调节水的添量，包括调整泌水率、凝固时间，则两个固体控制变量不发生改变；若需调节水泥的添量，包括调整膨胀率、早期强度，则水的添量也随之发生改变，调节后水泥与水的质量比要与初始质量比保持一致，即水泥、水的质量比为1：3.65；若需调节固废颗粒的添量，以调整充填材料凝固28d的单轴抗压强度，则水的添量也随之发生改变，调节后固废颗粒与水的质量比要与初始质量比保持一致，即固废颗粒、水的质量比为5.06：3.65。
9、进一步，步骤二具体步骤如下：
10、将固废微粉与水按0.9:1的质量比混合后形成混合浆液，之后在密封环境下向混合浆液内持续通入去除了氮气和氧气的工业尾气并搅拌，同时全回收溢出的工业尾气，通入速率为1.2±0.3l/min，搅拌速率为20±5r/min，当工业尾气通入量与回收量相差在5％以内时，停止通入；
11、在混合浆液中添加碱盐复合剂进行化学活化，使混合浆液形成碱性条件，碱盐复合剂的添加量不超过固废微粉质量的3％；之后按照步骤二的方法继续向添加了碱盐复合剂的混合浆液中通入工业尾气边继续搅拌，测量尾气回收量，当测量回收到的溢出工业尾气量超过通入量的5％后停止通入，此时混合浆液形成粘结剂初浆；
12、向粘结剂初浆中添加外加剂，外加剂的添加总量为粘结剂初浆中固废微粉质量的25％～30％，外加剂包括水泥、水玻璃、其他添加剂，其中水泥为固废微粉质量总的20％～24％，水玻璃为固废微粉质量总的3％～4％，其他添加剂为固废微粉质量总的1.5％～2％；其他添加剂由a药剂与b药剂混合构成，其中a药剂为质量比不低于50％的早强剂，b药剂为减水剂、促凝剂、缓凝剂、增效剂中一种或多种混合；之后向添加了外加剂的粘结剂初浆中继续通入工业尾气并搅拌，通入速率为0.5±0.1l/min，搅拌速率为10±2r/min，当检测到有外溢工业尾气后停止继续通入工业尾气，得到粘结剂。
13、进一步，固废颗粒的粒径范围在10～30mm之间，固废微粉粒径范围小于等于2.5mm，比表面积控制在260～400m2/kg。
14、进一步，低活性工业固废包括：低活性粉煤灰、矸石、铁钒尾矿、铁钛尾矿、钢渣、炉渣、飞灰；工业尾气包括具有还原性的气体以及能与碱液发生反应的挥发性有机物，其有效成分为氮氧化物、氯化氢、氟化氢、甲醛中的一种或多种。
15、进一步，碱盐复合剂包括：硅酸盐、铝酸盐、铁酸盐及氧化钙，碱盐复合剂根据如下生产需求进行选择：
16、若对粘结剂、水泥、固废颗粒及水混合后形成低活性工业固废充填材料成品，在凝固28d的单轴抗压强度需求不低于10mpa并需控制其膨胀率不本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种尾气零排放的低活性工业固废充填材料研制方法，其特征在于，步骤如下：
2.根据权利要求1所述的一种尾气零排放的低活性工业固废充填材料研制方法，其特征在于，步骤二具体步骤如下：
3.根据权利要求1所述的一种尾气零排放的低活性工业固废充填材料研制方法，其特征在于，固废颗粒的粒径范围在10～30mm之间，固废微粉粒径范围小于等于2.5mm，比表面积控制在260～400m2/kg。
4.根据权利要求1所述的一种尾气零排放的低活性工业固废充填材料研制方法，其特征在于，低活性工业固废包括：低活性粉煤灰、矸石、铁钒尾矿、铁钛尾矿、钢渣、炉渣、飞灰；工业尾气包括具有还原性的气体以及能与碱液发生反应的挥发性有机物，其有效成分为氮氧化物、氯化氢、氟化氢、甲醛中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的一种尾气零排放的低活性工业固废充填材料研制方法，其特征在于，碱盐复合剂包括：硅酸盐、铝酸盐、铁酸盐及氧化钙，碱盐复合剂根据如下生产需求进行选择：
6.根据权利要求1所述的一种尾气零排放的低活性工业固废充填材料研制方法，其特征在于，配制充填材
7.根据权利要求1所述的一种尾气零排放的低活性工业固废充填材料研制方法，其特征在于，若只关注充填材料成品凝固28d的单轴抗压强度，以及满足井下运输要求，则外加剂中水泥的添量取上限，水玻璃和其他添加剂的添量取下限，且其他添加剂为质量比1:1的早强剂和增效剂混合构成，即外加剂的总量为固废微粉与固废颗粒质量总和的28.5％。
8.根据权利要求1所述的一种尾气零排放的低活性工业固废充填材料研制方法，其特征在于，在步骤二中配置粘结剂的过程中，以及步骤三配置的低活性工业固废充填材料过程中均需要使用水泥和水，除水泥外的干料质量同样包括步骤二中制备粘结剂的干料添量，以及步骤三中固废颗粒的添量；将步骤二中制备粘结剂的添量称为原始量，将步骤三的添量称为补充量；水泥、固废颗粒及水的补充量按如下质量比公式进行计算：
9.根据权利要求1所述的一种尾气零排放的低活性工业固废充填材料研制方法，其特征在于，步骤四中，对充填材料预选方案的运输属性和力学属性进行评估，步骤具体如下：
...【技术特征摘要】
1.一种尾气零排放的低活性工业固废充填材料研制方法，其特征在于，步骤如下：
2.根据权利要求1所述的一种尾气零排放的低活性工业固废充填材料研制方法，其特征在于，步骤二具体步骤如下：
3.根据权利要求1所述的一种尾气零排放的低活性工业固废充填材料研制方法，其特征在于，固废颗粒的粒径范围在10～30mm之间，固废微粉粒径范围小于等于2.5mm，比表面积控制在260～400m2/kg。
4.根据权利要求1所述的一种尾气零排放的低活性工业固废充填材料研制方法，其特征在于，低活性工业固废包括：低活性粉煤灰、矸石、铁钒尾矿、铁钛尾矿、钢渣、炉渣、飞灰；工业尾气包括具有还原性的气体以及能与碱液发生反应的挥发性有机物，其有效成分为氮氧化物、氯化氢、氟化氢、甲醛中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的一种尾气零排放的低活性工业固废充填材料研制方法，其特征在于，碱盐复合剂包括：硅酸盐、铝酸盐、铁酸盐及氧化钙，碱盐复合剂根据如下生产需求进行选择：
6.根据权利要求1所述的一种尾气零排放的低活性工业固废充填材料研制方法，其特征在于，配制充填材料胶凝初...
【专利技术属性】
技术研发人员：王烁康，闫晶晶，董自慧，范志东，杨瑞臣，马立强，
申请(专利权)人：河北石油职业技术大学，
类型：发明
国别省市：
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