[发明专利]针对界面过渡区的煤矿胶结充填材料植物纤维加固方法

说明书

本发明公开了一种针对界面过渡区的煤矿胶结充填材料植物纤维加固方法，通过水泥‑粉煤灰净浆的预浸泡，使粗骨料表面具有粘附性，从而在植物纤维和煤矸石骨料与浆体之间形成有效的联结。本发明利用植物纤维对煤矿胶结充填材料界面过渡区进行针对性加固改良，可有效“补短板、增效能”，提高断裂能、增强抗冲击性、延迟破坏发生、转变脆性为延性；利用本发明方法制备的植物纤维加固煤矿胶结充填体，力学强度可达8‑9 MPa，是以往充填体5 MPa左右强度现况的1.6‑1.8倍，充分满足结构充填开采、深地充填开采对充填体的强度需求，有利于进一步推进我国煤矿胶结充填开采技术的进步，为地下空间高效利用、深部储煤安全采掘提供重要的理论和技术支撑。

技术领域

本发明涉及一种针对界面过渡区的煤矿胶结充填材料植物纤维加固方法，属于煤矿胶结充填材料技术领域。

背景技术

煤矿胶结充填开采是现阶段煤矿领域较为高效环保的一种开采方式，属于“绿色开采”体系中的一种。煤矿胶结充填开采的主要目的是将预先拌好的水泥、粉煤灰、煤矸石等料浆通过管道泵送至采空区填充，待其硬化凝固后支撑采场覆岩的垮落，从而可以较好地控制采区岩层移动。近几十年来，由于粗放式的过度开采，遗留了很多资源浪费和生态环境问题，比如地表塌陷、煤矸石等固废堆积、“三下”压煤等。而煤矿胶结充填开采的应用，可有效解决上述问题，在现阶段具有良好的应用前景和发展潜力。

煤矿胶结充填相比于煤矿固体充填和煤矿高水充填，具有更高的力学强度和更长期的稳定性，可适用于各种复杂地质条件，受到国内外研究学者的广泛关注。基于当前煤矿胶结充填开采高额、低效、浪费等弊病，太原理工大学冯国瑞教授（冯国瑞, 杜献杰, 郭育霞, 等. 结构充填开采基础理论与地下空间利用构想[J]. 煤炭学报, 2019, 44(01):74-84.）提出“结构充填开采”思想理论，讲究在采空区选取关键位置并有针对地布设结构充填体，以满足随采随充的岩层控制要求，其中充填体的强度至少要达到10-20 MPa；西安科技大学刘浪教授（刘浪, 辛杰, 张波, 等. 矿山功能性充填基础理论与应用探索[J].煤炭学报, 2018, 43(07): 1811-1820.）提出“储库式功能性充填”技术理论，将传统胶结充填材料与拓展功能介质相拌合，使其在满足流动、力学等条件下形成具有存储功能的复合充填体。此外，随着浅部煤层的采掘殆尽，我国煤矿领域已逐渐开始转战千米深井采煤相关研究，江苏省有色金属华东地质勘查局叶根喜高工（叶根喜, 朱权洁, 李舒霞, 等. 千米深井沿空留巷复合充填体研制与应用[J]. 采矿与安全工程学报, 2016, 33(05): 787-794.）、中国矿业大学（北京）邓雪杰副教授（邓雪杰, 董超伟, 袁宗萱, 等. 深部充填沿空留巷巷旁支护体变形特征研究[J]. 采矿与安全工程学报, 2020, 37(01): 62-72.）分别依据孙村煤矿11121工作面、唐口煤矿9303工作面的工程概况提出：千米深井沿空留巷充填体的最小强度不应低于6 MPa。然而，目前煤矿胶结充填体的强度现状仅能达到5 MPa左右，难以服务于结构充填开采、深地充填开采，进而阻碍了我国煤矿胶结充填开采技术的推广与进步。

界面过渡区，是混凝土学中的专业术语，指的是骨料颗粒和水泥浆体之间的连接薄区，是水泥基材料中的最薄弱环节，具有水化程度差、孔隙率高、硬度低等特点，很大程度上影响着硬化后的承压变形性能。大多数学者认为，界面过渡区的形成是由于“边壁效应”（也称“墙效应”）和“微区泌水效应”，即在骨料颗粒表面附近水泥浓度偏低，因此会形成一条与骨料、浆体性质都不同的薄区。如果能针对水泥基材料界面过渡区进行加固，在很大程度上会优化水泥基硬化体的宏观力学强度。