新材料及其应用

本发明涉及充填采矿技术领域，具体公开一种用于散状充填体改性的胶凝材料及其制备方法和应用。所述用于散状充填体改性的胶凝材料包括以下质量百分比的组分：水泥熟料5％‑20％、矿渣粉70％‑90％和脱硫石膏粉3％‑10％；所述矿渣粉按质量百分比包括氧化钙34％‑38％、氧化镁7％‑12％、二氧化硅29％‑34％、三氧化二铝15％‑17％和三氧化二铁1％‑5％；所述脱硫石膏粉中二水硫酸钙的质量含量为90％～99％。本发明提供的用于散状充填体改性的胶凝材料的组分构成简单、成本低、需水量少、易于配制，用于作为充填材料的原料具备良好的粘结性以及较高的早期强度，实现了固废的资源化利用。

 煤炭作为中国的主要能源，在国民经济发展过程中起到至关重要的作用，占我国一次能源的60％左右。但煤炭开采过程中带来的矿区地表塌陷、水资源流失、矸石外排等一系列问题却给矿区生态环境带来很大的影响，而全部垮落法引发的采场顶板垮落更是直接威胁到矿井的安全生产。

充填采煤技术作为绿色矿山建设的重要手段可有效解决矿企发展与矿区生态环境之间存在的不和谐的问题，同时也是解决“三下”(建筑物下、铁路下、水体下)压煤资源浪费问题的一种优良方法。充填采煤方法具有煤炭资源采出率高、地表沉陷变形小、减少地表固体废弃物对环境产生的不良影响等优点，但其实际应用效果及可靠性受多种因素的影响。据不完全统计，充填采矿过程中的充填成本已占采矿成本的30％左右，昂贵的充填成本给煤矿企业带来了极大的经济负担，严重制约着充填采煤技术的应用与发展。

 固体充填采煤技术是直接利用煤矸石等固废材料置换煤炭资源的一种绿色采煤技术，该技术相较于膏体充填、高水充填具有充填量大、效率高、成本低的特点。但常规的由煤矸石组成的固体充填体整体性能较差，充填体密实度得不到保障。目前有研究通过煤矸石和粉煤灰两种材料的颗粒级配、胶结特性进行井下固体充填材料的优化，但得到的材料依然具有胶结性差、凝结时间长、强度低等缺陷，将固体材料充填至采空区后，会在采场上覆岩层压力的作用下出现不同程度的压缩变形。也有通过加入适量的黄土或水泥作为胶结料增加了充填材料的胶结性，使充填体的整体性有所提高，但仍无法解决充填体凝结时间较长的缺点，大大降低了充填采煤的效率，且水泥等胶材的大量使用也进一步增加了充填材料制备的成本。因此，制备使用性能好、成本低、效率高的充填材料已成为充填采煤技术发展的关键所在。

针对现有充填材料存在的上述等问题，本发明提供一种用于散状充填体改性的胶凝材料及其制备方法和应用，该用于散状充填体改性的胶凝材料的组分构成简单、成本低、需水量少、易于配置，且具备良好的粘结性以及较高的早期强度，实现了固废资源化的合理利用。

本发明提供的用于散状充填体改性的胶凝材料的原料配比简单易得、成本低，实现大量固废的资源化利用，且在不加任何其它掺料的情况下依然达到了粘结性好、早期强度高的优良性能。此外本发明提供的改性胶凝材料还可以保证在无外力作用的散状状态下1h以内不发生结块现象，在模具内压实后30min内即可自稳成型，非常适用于井下固体充填材料的皮带运输和采空区充填，有效提高充填效率、降低煤矿充填开采周期以及控制地表沉降。