高水膨胀粉煤灰充填胶凝材料生产技术_节煤节能

在矿山充填中如何做到低浓度、膨胀性是两个技术难题。低浓度料浆流动性好，可以做到大倍线长距离自流输送，但充填料浆容易离析，泌水率高，充填体强度低；高浓度料浆不易离析，固化强度高，泌水率小，但流动性差，一般需要泵送，充填成本高。接顶效果好，固化收缩变形小，最大限度地减少顶板下沉量一直是充填的追求目标，能够做到这一点的理想充填材料是充填料浆具有膨胀性。尽管人们进行了很多努力，实用廉价的膨胀充填未见成熟报道。通过反复试验和摸索，解决了高水膨胀材料的合理配比和应用技术。研究开发的充填材料主要由固化剂、延缓剂、膨胀剂等组成。水料比为0.35～0.65，灰料比1:4～1:7。料浆初凝时间约2小时，在通常的输送压力下1.5小时内可以顺利输送，不致堵管；在1500m的距离内，充填倍线达到5倍时，料浆流速仍达2.28m/s，可以做到长距离大倍线输送。料浆充填后8～10小时可拆模，7天强度超过1.5MPa,28天强度2～3MPa。根据现场实测，充填体20小时的固化膨胀率约为8～10％。高水膨胀充填是一种全新的充填技术，也是矿山充填的发展方向，对于充填料严重不足的煤矿充填，意义更为重大。

高水膨胀充填材料具有固化时间短、早期强度高、工艺流程简单、自动化程度高、充填膨胀系数大速度快、运行成本体低等诸多优势。

主要原料：
A、基料：粉煤灰、赤泥、尾矿、风积沙等硅质材料；
B、辅料：石膏、石灰、水泥、铝养熟料和膨胀剂。

主要特性：
可采用液固质量比为130～150%的充填料浆，即高水膨胀材料。其特点为：
A、良好的流动性。料浆在2小时以内呈液体状态，可实现自流输送。
B、适度的膨胀性。料浆2小时以后开始固化并伴随30%以下的体积膨胀。体积膨胀可使固化后的充填体实现与顶板的主动接触。
C、足够的稳定性。固化后的充填体是基料中的二氧化硅、三氧化二铝与辅料中的碱土氢氧化物发生化学反应而生成的具有水硬胶凝性能的含水硅酸钙和含水铝酸钙。这两种化合物的化学性质非常稳定。
D、较强的抗压性。固化后，充填体的单向抗压强度表现：12小时达到0.5Mpa；24小时达到1.2Mpa；2个月达到15Mpa；19个月达到30Mpa。
E、顶底板移进和地表沉降观测显示没有明显移近，顶底板移近量最小值为0.5mm，最大值为20mm，平均值为6mm。
F、充填后采空区的地表无明显沉降。

技术简介：

高水膨胀充填材料

高水膨胀充填材料是一种以工业固废为核心原料、经科学复配与精准工艺制备的新型无机胶凝充填材料，依托“碱性激发+钙矾石膨胀+水硬性胶凝”协同作用，具备高水比、自流输送、可控膨胀、早强高强、长期稳定、绿色环保等核心优势，主要应用于煤矿/金属矿采空区充填、巷道回填、陷落柱治理、软土地基加固等工程领域，是实现矿山绿色开采、提升工程安全稳定性、推动工业固废资源化利用的关键技术支撑，可有效解决传统充填材料流动性差、固化慢、膨胀不可控、地表沉降明显等行业痛点，契合当前绿色矿山建设与环保施工的行业发展需求。

技术定位

本技术以“高效充填、安全可控、绿色节能”为核心目标，通过精准控制原料配比、优化生产与施工工艺，实现料浆“2h内自流输送、2h后初凝膨胀、短期内达到设计强度、长期稳定无变形”的核心效果，既能满足矿山采空区“主动接顶、控制围岩变形”的施工要求，也能适配软土地基加固“密实填充、强度可控”的技术需求，同时大量利用粉煤灰、尾矿、赤泥等工业固废，实现“变废为宝”，兼顾工程效益、安全效益与环保效益，可广泛应用于各类矿山工程、岩土工程的充填施工，尤其适用于“三下”压煤开采、复杂地质条件下的充填治理等场景，能有效解放残留煤炭资源，延长矿井使用寿命。

原料功用

采用“基料+辅料”的复合配方体系，所有原料均符合国家相关工业标准，进场前需经严格抽样检测，确保性能稳定，液固质量比（水:干料）可根据施工环境微调。

1.基料（核心提供硅铝源，构建充填体骨架）：粉煤灰：作为核心硅铝源，参与水化反应生成胶凝产物，降低生产成本；尾矿/风积沙/赤泥：作为惰性填充骨料，减少充填体收缩，提升体积稳定性；铝矾土熟料：补充铝含量，加速钙矾石生成，提升早期强度与膨胀性能。

2.辅料（实现胶凝、激发、促凝、膨胀功能）：二水石膏：提供SO₄²⁻，作为钙矾石生成核心组分，调节凝结时间与膨胀性能；生石灰：提供强碱性激发环境，激发硅铝质原料活性，加速水化放热；普通硅酸盐水泥：补充胶凝体系，提升长期强度与稳定性；硫铝酸钙类膨胀剂：精确控制膨胀速率与总膨胀量；复合早强促凝剂：缩短初凝时间，提升早期强度；复合碱激发剂：深度激发工业固废活性，加速水化进程。

性能指标

符合国家相关标准及工程设计要求，核心性能指标如下：

1.料浆工作性能：液固质量比1.30～1.50:1，流动度300～350mm，2h内保持流体状态，可自流输送；泌水率≤3%，初凝时间110～130min，终凝时间240～360min，无离析、无沉淀。

2.膨胀性能：2h后开始初凝膨胀，体积膨胀率10%～25%（≤30%），7d后膨胀稳定，后期倒缩量≤0.5%，可实现与顶板主动密贴，无空隙。

3.抗压强度：12h≥0.5MPa（实测0.5～0.8MPa），24h≥1.2MPa（实测1.2～2.0MPa），7d≥3.0MPa（实测3.0～5.0MPa），2个月≥15MPa（实测15～18MPa），19个月≥28MPa（实测28～32MPa），强度持续增长，满足工程承载要求。

4.工程控制性能：顶底板移近量0.5～20mm，平均值约6mm；充填体密实度≥95%；采空区地表无明显沉降（≤5mm）；耐水性优良，长期浸水不软化、不溃散，粘结强度≥1.0MPa，与围岩结合紧密。

5.环保性能：生产、固化过程无有害气体释放，符合《大气污染物综合排放标准》；清洗废水经简单处理后达标排放，符合《污水综合排放标准》；原料为工业固废与常规工业原料，无放射性、有毒有害物质，无土壤污染，实现固废资源化利用，契合绿色环保要求。

使用方法

1.施工准备：清理充填区域积水、杂物，布置输送管路，检查设备正常，配备专业操作人员与观测人员，做好安全防护。

2.充填操作：按“由里向外、由下向上”连续充填，控制料浆入仓时间≤2h，单次充填厚度不超过1.5m，必要时分层充填、分层养护，确保充填密实，及时排出区域内积聚气体，避免空洞。

3.固化养护：自然养护，无需洒水，环境温度控制在5～35℃，冬季保温、夏季遮阳；2h内禁止人员设备进入，12h可行人，24h可轻度承载，60d达到设计强度，养护期间禁止碰撞、碾压充填体。

适用场景

1.矿山工程：煤矿/金属矿采空区充填、巷道回填、陷落柱治理、沿空留巷支护，可有效控制顶板下沉、解放“三下”压煤，降低冒顶、瓦斯聚集等安全隐患，提升资源回收率，如阜新矿业集团应用该技术后，解放“三下”压煤1亿吨，延长矿井使用寿命20年；

2.岩土工程：软土地基加固、基坑回填、边坡治理，可提升地基承载力，减少沉降变形；

3.其他工程：矿井防灭火密闭充填、孔洞封堵等，具备良好的密封性与稳定性，可适配复杂施工环境。

技术优势

1.高效便捷：工艺流程简单，自动化程度高，料浆可自流输送，无需复杂设备，施工效率高，可实现连续作业，减少人工投入；

2.性能可控：膨胀量、固化时间、强度可根据施工需求微调，膨胀可控（≤30%），初凝时间适配输送需求，早期强度高、长期稳定；

3.绿色经济：大量利用粉煤灰、尾矿等工业固废，降低原料成本，减少固废堆放污染，实现“变废为宝”，契合绿色矿山建设要求；

4.安全可靠：充填体与围岩结合紧密，主动接顶，有效控制顶底板移近与地表沉降，降低工程安全隐患，水化产物稳定，无有害气体释放，本质安全；

5.适配性广：可适配不同地质条件与施工场景，无论是矿山采空区还是软土地基，均可通过配方微调满足技术要求，同时水灰比可调范围大，可满足不同强度需求。

行业价值

1. 解决行业痛点：破解传统充填材料流动性差、堵管、膨胀不可控、地表沉降明显等问题，提升工程施工效率与安全稳定性；

2. 推动固废资源化：实现粉煤灰、尾矿等工业固废的高效利用，减少环境污染，助力“双碳”目标实现；

3. 提升工程效益：延长矿山使用寿命，解放残留煤炭资源，降低施工成本与安全风险，同时减少地表沉降对周边建筑、环境的影响，实现工程效益、安全效益、环保效益的统一；

4.促进行业升级：推动矿山充填技术、岩土加固技术的绿色化、智能化发展，为煤炭行业绿色可持续开采提供技术支撑，具有广泛的推广应用价值。

高水膨胀充填材料技术是一项集高效、安全、绿色、经济于一体的新型充填技术，凭借其优异的性能与广泛的适配性，已在矿山、岩土等领域得到成熟应用，未来将通过性能优化与智能化施工升级，适配更多复杂地质条件与工程需求，为行业绿色可持续发展注入新动能。

煤矿高水膨胀充填材料：属于建筑物、水体、铁路下采煤技术领域，充填材料是由粉煤灰、膨胀剂、延缓剂、速凝剂、固化剂和水组成的料浆；其固液比为1∶1.2~1.5，比重为1.35，膨胀率为10~30%。解决了中厚以下煤层采空区充填的主动施压接顶和长距离自流输送问题，对改善我国采煤生态环境，提高资源回收率具有十分重要的意义。

高水充填材料：所述高水充填材料包括甲组分和乙组分，其中所述的甲组分包括硫铝酸盐水泥熟料、铝酸盐水泥熟料、缓凝剂、悬浮剂；所述的乙组分包括下述组分：硬石膏、石灰、复配添加剂。高水充填材料具有原材料广泛、价格低廉、稳定性好、后期强度高、表面不泛碱的优点。

超高水充填材料：目前，在现有技术中，充填法采煤所用的充填材料主要有煤矸石、水砂、膏体材料，较成熟的是膏体材料，但膏体充填材料不但成本高，而且由于膏体料浆流动性差，增加了输送难度。采用煤矸石、水砂填料存在劳动强度大，作业成本高等缺点。目前新的充填材料研发方向为高水材料（含水率一般在55%以上），超高水材料（含水量达90%以上）。该充填材料是由甲乙两种组分组成，其中，甲组分为硫铝酸钙、铝酸钙、碳酸钙、碳酸钠、聚丙烯酰胺和羟甲基纤维素钠；乙组分为硫酸钙、氧化钙、偏铝酸盐和氯化钙。本超高水充填材料具有初凝时间短、凝结后强度高、并且强度稳定的优点。本超高水充填材料无毒、无味、无污染、安全环保。可广泛应用于煤炭行业巷旁充填支护,采空区堵漏灭火、阻燃、井巷壁厚充填支护等。

高水微胀充填材料：充填法采煤所用的充填材料。组成为：水，高钙粉煤灰，石膏，水泥，聚丙烯酸钠，发泡剂。与现有技术相比，本充填材料的成本低，制备方便，流动率大易输送，有膨胀性易接顶，实现自流、主动施压接顶充填采空区。初凝时间为5~6h，终凝时间10~11h。使用时制备时间充裕，充填后又能快速达到一定抗压强度。

用于煤矿充填采空区的泡沫填体：属煤矿采空区的充填和地下工程充填技术领域。泡沫充填体各组分组成：粉煤灰，水泥，水，减水剂，促凝剂，活性剂，泡沫：胶凝浆液体积的百分比为100-250%。该填体胶凝固浆时间约3-4d，28d后单轴受压强度为0.5-1.7MPa，表观密度650-940kg/m3，可泵送时间11h，导热系数0.255-0.376W/(m·k)。可用于煤矿充填采空区的充填，有益效果是本泡沫填体显著增加了粉煤灰用量，制备简单成本较低，具有轻质、抗裂、保温和抗震等功能，现场应用前景广阔，有显著经济效益。

矿坑回填粉煤灰、钢渣和煤矸石造浇注石：所述浇注石由粉煤灰、钢渣、煤矸石粉、石灰、石膏粉加入发泡剂制备而成。针对煤矿、矿冶地区矿洞多、地质不稳定，以及遗留大量的粉煤灰、煤矸石和钢渣等尾矿和废弃物的问题，将各原料制粉、兑成浆料之后，注入矿洞、涵洞中凝结，可以缓慢生成水硬性胶凝材料，主要成分为硅酸钙，铝酸盐和铁铝酸盐。通过发泡剂，使得浇注石能够膨胀，将未灌入浇注石的空间填充满，同时不会污染地下水层和土质。

大掺量粉煤灰泡沫填体：属煤矿采空区及地下空间填充体领域。泡沫填体包括水、粉煤灰、胶凝材料、外掺料、活性剂及适量泡沫，其制备方法是：a原材料预加工：将粉煤灰和水泥进行筛分处理，滤掉大结块硬粒；b按照配比称量各组份数；c发泡剂与水按照配比混合制取发泡液；d原料拌合：在搅拌机内将水泥、粉煤灰、促凝剂、减水剂和活性剂拌合至均匀；e制取泡沫：在d步骤同时进行发泡，将发泡液通过发泡机制取泡沫；f混泡：在胶凝浆体制备好后，加拌适量倍数泡沫，不停机；g定模成型：混泡后浆液上面看不到浮泡时，泡沫浆制备完成。成型后的泡沫填体显著增加了粉煤灰用量，制备简单成本较低，具有轻质、抗裂、保温和抗震等功能，特别用于煤矿采空区和地下空间的充填。

发泡混凝土及煤矿充填接顶的方法：发泡混凝土包括水泥、粉煤灰、硅灰、硬脂酸钙、水、速凝剂、发泡剂，煤矿充填接顶的方法：A、剔除胶凝材料中的硬块等；B、按照配比称量水泥、粉煤灰、硅灰、硬脂酸钙和水，调节输送速凝剂和发泡剂的泵送设备流量阀；C、向搅拌机中依次加入水泥、粉煤灰、硅灰、硬脂酸钙和水，搅拌均匀；D、使原料混合均匀；E、在混合器出口接一软管，软管的另一端放在需要充填的部位，完成充填。能够充分利用废弃物粉煤灰，节约了能源，膨胀率可达200~300%，有效控制围岩变形。

技术服务：本套高水膨胀粉煤灰充填胶凝材料配方生产技术320元，包括技术配方、工艺流程等，技术直接用于生产，提供技术售后支持。
　

上一技术：金属矿山充填专用胶固粉

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