本發(fā)明涉及軟巖工程領(lǐng)域，尤其涉及一種泥化矸石固化劑制備方法。

背景技術(shù)：

工程施工過(guò)程中由于開(kāi)挖、淋水等工序會(huì)產(chǎn)生大量積水，矸石遇水迅速泥化崩解，致使排矸無(wú)法順利進(jìn)行，掘進(jìn)機(jī)行進(jìn)困難，掘進(jìn)速度大大降低。

目前工程治理泥化矸石常用處理方法有沉淀池法、絮凝處理法、設(shè)備處理法等。沉淀池法是在場(chǎng)地上設(shè)置廢渣沉淀池，用槽罐車將廢渣自然干燥后運(yùn)往垃圾場(chǎng)。具有費(fèi)用高、效率低、容易產(chǎn)生“滴、撒、漏”等缺點(diǎn)，容易產(chǎn)生二次污染。設(shè)備處理法是采用臥式離心機(jī)對(duì)泥化矸石進(jìn)行脫水處理，泥餅進(jìn)行外運(yùn)處理，廢水進(jìn)行回用，具有處理工藝復(fù)雜、成本高、占地面積大等缺點(diǎn)。絮凝處理法是在在泥化矸石中加入絮凝劑，由于泥漿水是一種水中含有一定量的微細(xì)泥顆粒的懸浮液體，絮凝劑是一類水溶性的高聚物，將其與泥漿水混合時(shí)，由于絮凝劑具有架橋、網(wǎng)捕、吸附和電性中和等功能，可以破壞泥漿水的穩(wěn)定性，使泥顆粒從水中凝聚、沉降，從而達(dá)到泥水分離效果。但固化工藝復(fù)雜，固化速度慢，固化后的泥漿不易資源化利用。

此外，工地現(xiàn)場(chǎng)需要修建臨時(shí)性內(nèi)部施工便道，需要外購(gòu)?fù)潦?，施工結(jié)束后還需要對(duì)施工便道進(jìn)行拆除、外運(yùn)廢棄，同樣需要外運(yùn)費(fèi)和廢棄費(fèi)。若直接對(duì)井筒泥化矸石進(jìn)行吸水處理即可減少相同方量的土方外購(gòu)和棄置費(fèi)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題，在于提供一種泥化矸石固化劑及其在快速減低富水泥化矸石中的水，增加富水泥化矸石稠度，從而達(dá)到降低因富水泥化矸石含水太大而造成的排矸困難，甚至無(wú)法排矸等問(wèn)題，減輕工人工作強(qiáng)度、加快排矸速度，進(jìn)而加快掘進(jìn)施工進(jìn)度，與其他常規(guī)吸水性材料進(jìn)行對(duì)比，節(jié)省大量資金與勞動(dòng)力，經(jīng)濟(jì)效益相當(dāng)可觀。

本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的。

本發(fā)明首先提供了一種泥化矸石固化劑，按照重量份數(shù)包括如下組分：納基膨潤(rùn)土12-27份，高分子吸水性樹(shù)脂73-88份。

所述高分子吸水樹(shù)脂材料，常溫下為白色粉末狀，其品種不同，粗細(xì)程度不同。一般能吸收其自身質(zhì)量數(shù)百倍、甚至上千倍的水，并且具有很強(qiáng)的保水能力，所以又被稱為超強(qiáng)吸水劑或高保水劑。從化學(xué)結(jié)構(gòu)上講，高分子吸水性樹(shù)脂是具有許多親水基團(tuán)的低交聯(lián)度或部分結(jié)晶的高分子聚合物。材料質(zhì)量吸水率的計(jì)算公式為。

wm=(mb-mg)/mg×100%。

式中：wm為質(zhì)量吸水率，%；mb為試樣吸水飽和后質(zhì)量，g；mg為試樣干燥質(zhì)量，g。

所述膨潤(rùn)土是天然無(wú)機(jī)材料，不會(huì)發(fā)生老化反應(yīng)，耐久性好、無(wú)毒、無(wú)腐蝕，是一種綠色環(huán)保材料。它具有較強(qiáng)的吸濕性和膨脹性，可吸附8～15倍于自身體積的水量，體積膨脹可達(dá)數(shù)倍至30倍；在水介質(zhì)中能分散成膠凝狀和懸浮狀，這種介質(zhì)溶液具有一定的黏滯性、能變性和潤(rùn)滑性；有較強(qiáng)的陽(yáng)離子交換能力；對(duì)各種氣體、液體、有機(jī)物質(zhì)有一定的吸附能力，最大吸附量可達(dá)5倍于自身的重量；它與水、泥或細(xì)沙的摻和物具有可塑性和黏結(jié)性；其中具有表面活性的酸性漂白土能吸附有色離子。

纖維素是地球上最古老、最豐富的天然高分子，是取之不盡用之不竭的人類最寶貴的天然可再生資源。用分離純化的纖維素作原料，可以制造甲基纖維素、乙基纖維素、羧甲基纖維素、聚陰離子纖維素等醚類衍生物。纖維素是由葡萄糖組成的大分子多糖，一般不溶于水及一般有機(jī)溶劑。

硅灰具有極強(qiáng)的火山灰活性，顆粒和水接觸，部分小顆粒迅速溶解，溶液中富sio2貧ca2+的凝膠在顆粒子表面形成附著層，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后，富sio2貧ca2+的凝膠附著層開(kāi)始溶解，和水泥水化產(chǎn)生的氫氧化鈣反應(yīng)生成csh凝膠。

水泥是一種礦物膠凝材料，與水混合后，經(jīng)過(guò)物理化學(xué)作用能由可塑性漿體變成堅(jiān)硬的石狀體，并能將砂、石等粒材料膠結(jié)成為整體。它與水的關(guān)系是發(fā)生水化反應(yīng)，生成水硬性產(chǎn)物。但為滿足施工要求，一般初凝時(shí)間不允許超過(guò)45min。

磨細(xì)礦渣是以高爐水淬礦渣為主要原料經(jīng)干燥、粉磨處理而制成的超細(xì)粉末材料。具有與普通硅酸鹽水泥非常相近的化學(xué)組成，如cao30~42%,sio235~38%，al2o310~18%,mgo5~14%等。且具有自身水化硬化特點(diǎn)，能在加水拌和后自行水化硬化并具有強(qiáng)度。當(dāng)有硅酸鹽水泥激發(fā)時(shí)，其活性得到更充分的發(fā)揮。

粉煤灰是火力發(fā)電廠以煤粉作燃料而從煙囪中排出的灰塵顆粒，其中含有大量的球狀玻璃珠，以及莫來(lái)石、石英及少量的礦物結(jié)晶相，直徑通常為50～90μm。粉煤灰具有火山灰性，但不具有自身水化硬化特性，只能在有活性激發(fā)劑作用下，才能具有強(qiáng)度。與水作用時(shí)，尤其是在堿性激發(fā)劑作用下，會(huì)使玻璃體中的ca2+、alo45-、al3+、sio44-等離子進(jìn)入溶液，生成新的水化產(chǎn)物，從而產(chǎn)生強(qiáng)度。

生石灰遇水能生成ca(oh)2，放出熱量。常溫下呈白色無(wú)定形粉末，含有雜質(zhì)時(shí)呈灰色或淡黃色，具有吸濕性。

進(jìn)一步進(jìn)行稠度試驗(yàn)。

選擇gbt2419-2005水泥膠砂流動(dòng)度測(cè)定方法評(píng)定流砂稠度。首先按表1配合比配制流砂；將稱量好的增稠材料摻入流砂中，并同時(shí)記時(shí)；分別在高分子吸水樹(shù)脂中混入20%的纖維素、納基膨潤(rùn)土、水泥和生石灰并將拌合物攪拌均勻，進(jìn)一步與以上常規(guī)吸水性材料進(jìn)行比較。

利用水泥跳桌流動(dòng)度儀對(duì)流砂的稠度進(jìn)行檢測(cè)。

表1不同原材料對(duì)流砂稠度影響試驗(yàn)結(jié)果及成本預(yù)算。

將纖維素、納基膨潤(rùn)土、水泥和生石灰混入高分子吸水樹(shù)脂中并摻入流砂中，當(dāng)流砂稠度擴(kuò)展度為131mm時(shí)（不流漿）。不同礦物質(zhì)對(duì)流砂稠度的影響中，品種不同摻量出入較大，其中鈉基膨潤(rùn)土摻量最少，粉煤灰摻量最多。具有吸水功能的礦物質(zhì)摻量相對(duì)較少，且吸水倍數(shù)越高，摻量越小。當(dāng)?shù)V物質(zhì)不具備吸附水能力時(shí)，活性較高的礦物質(zhì)由于與水反應(yīng)較快，較活性低的摻量少。相同活性的，研磨的越細(xì)增稠效果越好。

對(duì)于兩種不同的砂樣，當(dāng)達(dá)到相同稠度時(shí)，4種高分子吸水混合物摻量是不同的。但無(wú)論對(duì)于細(xì)砂或中砂，高分子吸水樹(shù)脂與納基膨潤(rùn)土混合物摻量皆是最少。與其他成本對(duì)比，高分子吸水樹(shù)脂與納基膨潤(rùn)土混合物降低流砂稠度速度最快、成本最低。

砂料粗細(xì)程度和顆粒級(jí)配對(duì)流砂稠度的影響中，高分子吸水樹(shù)脂對(duì)細(xì)砂降低稠度的效果明顯好于中砂，而纖維素和礦物質(zhì)正好相反。高分子吸水樹(shù)脂與納基膨潤(rùn)土無(wú)論從摻量、降低稠度的時(shí)間，以及成本等幾方面，都具有明顯的優(yōu)勢(shì)，是最佳選擇。

在室內(nèi)進(jìn)行富水泥化矸石增稠試驗(yàn)，定量描述高分子吸水樹(shù)脂和納基膨潤(rùn)土的摻量和吸水效果。將取回的矸石碾碎，制成不同配比的泥化矸石試樣。

表2材料配合比。

將制成好的三種泥化矸石試樣分別加入不同摻量的高分子吸水混合物，不同配比和高分子吸水混合物摻合條件下，高分子吸水混合物均能較好并且快速的吸收泥化矸石中的水。摻入高分子吸水混合物后，矸石由流動(dòng)狀態(tài)迅速轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄誀顟B(tài)。從而可以順利排矸。

矸石和水比越大，達(dá)到相同的稠度時(shí)，需要摻合高分子吸水混合物量越多，反之愈少。單位質(zhì)量的高分子吸水混合物能處理約其自身質(zhì)量50~170倍流動(dòng)狀態(tài)的泥化矸石。根據(jù)目前高分子吸水樹(shù)脂以及納基膨潤(rùn)土的市場(chǎng)價(jià)，可初步確定其經(jīng)濟(jì)效益為治理富水泥化矸石費(fèi)用在55.8元/t~150元/t。據(jù)課題組現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，現(xiàn)場(chǎng)富水泥化矸石中矸石和水的比應(yīng)達(dá)不到試驗(yàn)所配置的水和矸石料的比，所以采用高分子吸水樹(shù)脂與納基膨潤(rùn)土進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)富水泥化矸石治理時(shí)，其成本會(huì)相應(yīng)降低。

本發(fā)明的原理如下。

泥化矸石具有流動(dòng)性，在于顆粒之間的自由水太多，巖石顆粒之間的摩擦力太小，顆?？梢宰杂梢苿?dòng)，因此固話的機(jī)制主要是使自由水從矸石中排出，降低其稠度，使顆粒之間摩擦力增加。

基于上述機(jī)理，確定本發(fā)明的策略：選擇的吸水性材料以單位質(zhì)量材料吸水量越多越好，其吸水原理為。

-ch2=ch-cooh+naoh→-ch2=ch-coona+h2o。

n(ch2=ch-coona)→[-ch2-ch(coona)]n。

聚丙烯酸鈉架構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，造成內(nèi)部離子濃度較外部高，造成滲透壓，可以抑制擴(kuò)張的現(xiàn)象，即產(chǎn)生了高吸水性樹(shù)脂的吸水力。

納基膨潤(rùn)土主要成分是蒙脫石，具有高吸水性，良好的可分散性、良好的吸附性和陽(yáng)離子交換能力，使大量自由水轉(zhuǎn)化為吸附水，而膨潤(rùn)土本身也是大比表面積的材料，可使大量自由水轉(zhuǎn)化為吸附水，從而使固化土強(qiáng)度得以進(jìn)一步提高。

本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)：本發(fā)明通過(guò)高分子吸水性樹(shù)脂與納基膨潤(rùn)土制備了一種能與水快速反應(yīng)且顯著提高泥化矸石稠度的固化材料，大大提高了施工效率，簡(jiǎn)化施工工藝。

附圖說(shuō)明

下面參照附圖結(jié)合實(shí)例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。

圖1為泥化矸石制備流程圖。

圖2為高分子吸水樹(shù)脂混合物對(duì)流砂稠度的影響。

圖3未拌和前富水泥化矸石。

圖4拌合和分鐘后富水泥化矸石變化情況。

具體實(shí)施方式

內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市達(dá)拉特旗紅慶梁煤礦項(xiàng)目富水軟巖井筒泥化矸石。

礦上組織建設(shè)單位、施工單位、監(jiān)理單位、設(shè)計(jì)單位和科研單位對(duì)主斜井1050m處富水泥化矸石進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。在現(xiàn)場(chǎng)將高分子吸水樹(shù)脂與納基膨潤(rùn)土的混合材料攪拌均勻?，F(xiàn)場(chǎng)巷道底部由于巷道頂部滲水淋水和上部截流水的雙重影響導(dǎo)致底板及矸石泥化嚴(yán)重，含水量較大，現(xiàn)場(chǎng)底板矸石幾乎呈流動(dòng)狀態(tài)?，F(xiàn)場(chǎng)通過(guò)拌合與未拌合高分子吸水性混合物兩種情況驗(yàn)證兩種情況下治理泥化矸石的效果?？梢钥闯鰧⒏叻肿游曰旌衔锶龅礁凰嗷肥砻婧笪Ч置黠@，兩分鐘后富水泥化矸石由流動(dòng)狀態(tài)變?yōu)檎吵頎顟B(tài)，在未經(jīng)任何處理的情況下高分子吸水性混合物吸水深度可高達(dá)30mm。而將高分子吸水混合物與富水泥化矸石充分拌合后，經(jīng)2min富水泥化矸石硬化效果要比僅撒至富水泥化矸石表面的效果要好的多，富水泥化矸石狀態(tài)相比第一種情況而言具有明顯的改觀。高分子吸水性混合物吸水的范圍也要比僅撒在富水泥化矸石表面效果好。因此現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用高分子吸水性混合物時(shí)應(yīng)充分?jǐn)嚢瑁赃_(dá)到更好的吸水效果。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，驗(yàn)證了高分子吸水樹(shù)脂與納基膨潤(rùn)土混合物的吸水效果，雖然在治理富水泥化矸石中摻入高分子吸水樹(shù)脂會(huì)增加一定的建設(shè)成本，但高分子吸水樹(shù)脂治理泥化矸石效果良好，吸水性較強(qiáng)?？梢钥焖贉p低富水泥化矸石中的水，增加富水泥化矸石稠度，從而達(dá)到降低因富水泥化矸石含水太大而造成的排矸困難，甚至無(wú)法排矸等問(wèn)題，減輕工人工作強(qiáng)度、加快排矸速度，進(jìn)而加快掘進(jìn)施工進(jìn)度，節(jié)省大量資金與勞動(dòng)力，經(jīng)濟(jì)效益相當(dāng)可觀。

雖然以上描述了本發(fā)明的具體實(shí)施方法，但是熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，我們所描述的具體的實(shí)例只是說(shuō)明性的，而不是用于對(duì)本發(fā)明的范圍的限定，熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員在依照本發(fā)明的精神所作的等效的修飾以及變化，都應(yīng)當(dāng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求所保護(hù)的范圍內(nèi)。

技術(shù)特征：

1.一種泥化矸石固化劑制備方法，其特征在于：按照重量份數(shù)包括如下組分：納基膨潤(rùn)土12-27份，高分子吸水樹(shù)脂73-88份。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的泥化矸石固化劑，其特征在于：所述膨潤(rùn)土為符合《膨潤(rùn)土》gb/t20973-2007的納基膨潤(rùn)土。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的泥化矸石固化劑，其特征在于：所述高分子吸水性樹(shù)脂中包含的聚氯乙烯樹(shù)脂、聚氨酯樹(shù)脂、丙烯酸樹(shù)脂和聚烯烴樹(shù)脂組成的組。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的泥化矸石固化劑，其特征在于：所述納基膨潤(rùn)土與上述高分子吸水性樹(shù)脂質(zhì)量比為1:4。

5.如權(quán)利要求1-4任意一項(xiàng)所述泥化矸石固化劑在軟巖工程中的應(yīng)用，其特征在于：將所述泥化矸石固化劑按泥化矸石質(zhì)量的2.4%-30%摻入泥化矸石中，與泥化矸石均勻攪拌，所述泥化矸石的含水率為80%-1000%。

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的應(yīng)用，其特征在于：按以下步驟將所述泥化矸石固化劑摻入廢棄矸石中：

（1）將納基膨潤(rùn)土與高分子吸水性樹(shù)脂按比例拌和均勻，得到混合料；

（2）將泥化矸石與混合料按比例混合均勻。

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的應(yīng)用，其特征在于：將步驟（2）拌和均勻的混合料待其固化后運(yùn)出井筒。

技術(shù)總結(jié)

本發(fā)明涉及軟巖工程領(lǐng)域，尤其涉及一種泥化矸石固化劑，所述泥化矸石固化劑按照重量份數(shù)包括納基膨潤(rùn)土12?27份和高分子吸水性樹(shù)脂73?88份以及所述泥化矸石固化劑在富水軟巖井筒泥化矸石治理中的用途。首次將高分子吸水樹(shù)脂與納基膨潤(rùn)土混合應(yīng)用于富水軟巖井筒泥化矸石治理，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)，確定了最佳配合比，為富水軟巖井筒泥化矸石治理提供了科學(xué)數(shù)據(jù)，具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。該項(xiàng)新技術(shù)改善了作業(yè)環(huán)境，顯著提高了排矸速度。

技術(shù)研發(fā)人員：張向東;張雪峰;劉家順

受保護(hù)的技術(shù)使用者：遼寧工程技術(shù)大學(xué)

技術(shù)研發(fā)日：2021.03.18

技術(shù)公布日：2021.05.28