本发明涉及软岩工程领域，尤其涉及一种泥化矸石固化剂制备方法。
背景技术：
工程施工过程中由于开挖、淋水等工序会产生大量积水，矸石遇水迅速泥化崩解，致使排矸无法顺利进行，掘进机行进困难，掘进速度大大降低。
目前工程治理泥化矸石常用处理方法有沉淀池法、絮凝处理法、设备处理法等。沉淀池法是在场地上设置废渣沉淀池，用槽罐车将废渣自然干燥后运往垃圾场。具有费用高、效率低、容易产生“滴、撒、漏”等缺点，容易产生二次污染。设备处理法是采用卧式离心机对泥化矸石进行脱水处理，泥饼进行外运处理，废水进行回用，具有处理工艺复杂、成本高、占地面积大等缺点。絮凝处理法是在在泥化矸石中加入絮凝剂，由于泥浆水是一种水中含有一定量的微细泥颗粒的悬浮液体，絮凝剂是一类水溶性的高聚物，将其与泥浆水混合时，由于絮凝剂具有架桥、网捕、吸附和电性中和等功能，可以破坏泥浆水的稳定性，使泥颗粒从水中凝聚、沉降，从而达到泥水分离效果。但固化工艺复杂，固化速度慢，固化后的泥浆不易资源化利用。
此外，工地现场需要修建临时性内部施工便道，需要外购土石方，施工结束后还需要对施工便道进行拆除、外运废弃，同样需要外运费和废弃费。若直接对井筒泥化矸石进行吸水处理即可减少相同方量的土方外购和弃置费用。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题，在于提供一种泥化矸石固化剂及其在快速减低富水泥化矸石中的水，增加富水泥化矸石稠度，从而达到降低因富水泥化矸石含水太大而造成的排矸困难，甚至无法排矸等问题，减轻工人工作强度、加快排矸速度，进而加快掘进施工进度，与其他常规吸水性材料进行对比，节省大量资金与劳动力，经济效益相当可观。
本发明是这样实现的。
本发明首先提供了一种泥化矸石固化剂，按照重量份数包括如下组分：纳基膨润土12-27份，高分子吸水性树脂73-88份。
所述高分子吸水树脂材料，常温下为白色粉末状，其品种不同，粗细程度不同。一般能吸收其自身质量数百倍、甚至上千倍的水，并且具有很强的保水能力，所以又被称为超强吸水剂或高保水剂。从化学结构上讲，高分子吸水性树脂是具有许多亲水基团的低交联度或部分结晶的高分子聚合物。材料质量吸水率的计算公式为。
wm=(mb-mg)/mg×100%。
式中：wm为质量吸水率，%；mb为试样吸水饱和后质量，g；mg为试样干燥质量，g。
所述膨润土是天然无机材料，不会发生老化反应，耐久性好、无毒、无腐蚀，是一种绿色环保材料。它具有较强的吸湿性和膨胀性，可吸附8～15倍于自身体积的水量，体积膨胀可达数倍至30倍；在水介质中能分散成胶凝状和悬浮状，这种介质溶液具有一定的黏滞性、能变性和润滑性；有较强的阳离子交换能力；对各种气体、液体、有机物质有一定的吸附能力，最大吸附量可达5倍于自身的重量；它与水、泥或细沙的掺和物具有可塑性和黏结性；其中具有表面活性的酸性漂白土能吸附有色离子。
纤维素是地球上最古老、最丰富的天然高分子，是取之不尽用之不竭的人类最宝贵的天然可再生资源。用分离纯化的纤维素作原料，可以制造甲基纤维素、乙基纤维素、羧甲基纤维素、聚阴离子纤维素等醚类衍生物。纤维素是由葡萄糖组成的大分子多糖，一般不溶于水及一般有机溶剂。
硅灰具有极强的火山灰活性，颗粒和水接触，部分小颗粒迅速溶解，溶液中富sio2贫ca2+的凝胶在颗粒子表面形成附着层，经过一定时间后，富sio2贫ca2+的凝胶附着层开始溶解，和水泥水化产生的氢氧化钙反应生成csh凝胶。
水泥是一种矿物胶凝材料，与水混合后，经过物理化学作用能由可塑性浆体变成坚硬的石状体，并能将砂、石等粒材料胶结成为整体。它与水的关系是发生水化反应，生成水硬性产物。但为满足施工要求，一般初凝时间不允许超过45min。
磨细矿渣是以高炉水淬矿渣为主要原料经干燥、粉磨处理而制成的超细粉末材料。具有与普通硅酸盐水泥非常相近的化学组成，如cao30~42%,sio235~38%，al2o310~18%,mgo5~14%等。且具有自身水化硬化特点，能在加水拌和后自行水化硬化并具有强度。当有硅酸盐水泥激发时，其活性得到更充分的发挥。
粉煤灰是火力发电厂以煤粉作燃料而从烟囱中排出的灰尘颗粒，其中含有大量的球状玻璃珠，以及莫来石、石英及少量的矿物结晶相，直径通常为50～90μm。粉煤灰具有火山灰性，但不具有自身水化硬化特性，只能在有活性激发剂作用下，才能具有强度。与水作用时，尤其是在碱性激发剂作用下，会使玻璃体中的ca2+、alo45-、al3+、sio44-等离子进入溶液，生成新的水化产物，从而产生强度。
生石灰遇水能生成ca(oh)2，放出热量。常温下呈白色无定形粉末，含有杂质时呈灰色或淡黄色，具有吸湿性。
进一步进行稠度试验。
选择gbt2419-2005水泥胶砂流动度测定方法评定流砂稠度。首先按表1配合比配制流砂；将称量好的增稠材料掺入流砂中，并同时记时；分别在高分子吸水树脂中混入20%的纤维素、纳基膨润土、水泥和生石灰并将拌合物搅拌均匀，进一步与以上常规吸水性材料进行比较。
利用水泥跳桌流动度仪对流砂的稠度进行检测。
表1不同原材料对流砂稠度影响试验结果及成本预算。
将纤维素、纳基膨润土、水泥和生石灰混入高分子吸水树脂中并掺入流砂中，当流砂稠度扩展度为131mm时（不流浆）。不同矿物质对流砂稠度的影响中，品种不同掺量出入较大，其中钠基膨润土掺量最少，粉煤灰掺量最多。具有吸水功能的矿物质掺量相对较少，且吸水倍数越高，掺量越小。当矿物质不具备吸附水能力时，活性较高的矿物质由于与水反应较快，较活性低的掺量少。相同活性的，研磨的越细增稠效果越好。
对于两种不同的砂样，当达到相同稠度时，4种高分子吸水混合物掺量是不同的。但无论对于细砂或中砂，高分子吸水树脂与纳基膨润土混合物掺量皆是最少。与其他成本对比，高分子吸水树脂与纳基膨润土混合物降低流砂稠度速度最快、成本最低。
砂料粗细程度和颗粒级配对流砂稠度的影响中，高分子吸水树脂对细砂降低稠度的效果明显好于中砂，而纤维素和矿物质正好相反。高分子吸水树脂与纳基膨润土无论从掺量、降低稠度的时间，以及成本等几方面，都具有明显的优势，是最佳选择。
在室内进行富水泥化矸石增稠试验，定量描述高分子吸水树脂和纳基膨润土的掺量和吸水效果。将取回的矸石碾碎，制成不同配比的泥化矸石试样。
表2材料配合比。
将制成好的三种泥化矸石试样分别加入不同掺量的高分子吸水混合物，不同配比和高分子吸水混合物掺合条件下，高分子吸水混合物均能较好并且快速的吸收泥化矸石中的水。掺入高分子吸水混合物后，矸石由流动状态迅速转变为塑性状态。从而可以顺利排矸。
矸石和水比越大，达到相同的稠度时，需要掺合高分子吸水混合物量越多，反之愈少。单位质量的高分子吸水混合物能处理约其自身质量50~170倍流动状态的泥化矸石。根据目前高分子吸水树脂以及纳基膨润土的市场价，可初步确定其经济效益为治理富水泥化矸石费用在55.8元/t~150元/t。据课题组现场观测，现场富水泥化矸石中矸石和水的比应达不到试验所配置的水和矸石料的比，所以采用高分子吸水树脂与纳基膨润土进行现场富水泥化矸石治理时，其成本会相应降低。
本发明的原理如下。
泥化矸石具有流动性，在于颗粒之间的自由水太多，岩石颗粒之间的摩擦力太小，颗粒可以自由移动，因此固话的机制主要是使自由水从矸石中排出，降低其稠度，使颗粒之间摩擦力增加。
基于上述机理，确定本发明的策略：选择的吸水性材料以单位质量材料吸水量越多越好，其吸水原理为。
-ch2=ch-cooh+naoh→-ch2=ch-coona+h2o。
n(ch2=ch-coona)→[-ch2-ch(coona)]n。
聚丙烯酸钠架构成网络结构，造成内部离子浓度较外部高，造成渗透压，可以抑制扩张的现象，即产生了高吸水性树脂的吸水力。
纳基膨润土主要成分是蒙脱石，具有高吸水性，良好的可分散性、良好的吸附性和阳离子交换能力，使大量自由水转化为吸附水，而膨润土本身也是大比表面积的材料，可使大量自由水转化为吸附水，从而使固化土强度得以进一步提高。
本发明具有如下优点：本发明通过高分子吸水性树脂与纳基膨润土制备了一种能与水快速反应且显著提高泥化矸石稠度的固化材料，大大提高了施工效率，简化施工工艺。
附图说明
下面参照附图结合实例对本发明作进一步的说明。
图1为泥化矸石制备流程图。
图2为高分子吸水树脂混合物对流砂稠度的影响。
图3未拌和前富水泥化矸石。
图4拌合和分钟后富水泥化矸石变化情况。
具体实施方式
内蒙古自治区鄂尔多斯市达拉特旗红庆梁煤矿项目富水软岩井筒泥化矸石。
矿上组织建设单位、施工单位、监理单位、设计单位和科研单位对主斜井1050m处富水泥化矸石进行了现场试验。在现场将高分子吸水树脂与纳基膨润土的混合材料搅拌均匀。现场巷道底部由于巷道顶部渗水淋水和上部截流水的双重影响导致底板及矸石泥化严重，含水量较大，现场底板矸石几乎呈流动状态。现场通过拌合与未拌合高分子吸水性混合物两种情况验证两种情况下治理泥化矸石的效果。可以看出将高分子吸水性混合物撒到富水泥化矸石表面后吸水效果十分明显，两分钟后富水泥化矸石由流动状态变为粘稠状态，在未经任何处理的情况下高分子吸水性混合物吸水深度可高达30mm。而将高分子吸水混合物与富水泥化矸石充分拌合后，经2min富水泥化矸石硬化效果要比仅撒至富水泥化矸石表面的效果要好的多，富水泥化矸石状态相比第一种情况而言具有明显的改观。高分子吸水性混合物吸水的范围也要比仅撒在富水泥化矸石表面效果好。因此现场应用高分子吸水性混合物时应充分搅拌，以达到更好的吸水效果。
通过现场试验，验证了高分子吸水树脂与纳基膨润土混合物的吸水效果，虽然在治理富水泥化矸石中掺入高分子吸水树脂会增加一定的建设成本，但高分子吸水树脂治理泥化矸石效果良好，吸水性较强。可以快速减低富水泥化矸石中的水，增加富水泥化矸石稠度，从而达到降低因富水泥化矸石含水太大而造成的排矸困难，甚至无法排矸等问题，减轻工人工作强度、加快排矸速度，进而加快掘进施工进度，节省大量资金与劳动力，经济效益相当可观。
虽然以上描述了本发明的具体实施方法，但是熟悉本技术领域的技术人员应当理解，我们所描述的具体的实例只是说明性的，而不是用于对本发明的范围的限定，熟悉本领域的技术人员在依照本发明的精神所作的等效的修饰以及变化，都应当涵盖在本发明的权利要求所保护的范围内。
技术特征：
1.一种泥化矸石固化剂制备方法，其特征在于：按照重量份数包括如下组分：纳基膨润土12-27份，高分子吸水树脂73-88份。
2.根据权利要求1所述的泥化矸石固化剂，其特征在于：所述膨润土为符合《膨润土》gb/t20973-2007的纳基膨润土。
3.根据权利要求1所述的泥化矸石固化剂，其特征在于：所述高分子吸水性树脂中包含的聚氯乙烯树脂、聚氨酯树脂、丙烯酸树脂和聚烯烃树脂组成的组。
4.根据权利要求1所述的泥化矸石固化剂，其特征在于：所述纳基膨润土与上述高分子吸水性树脂质量比为1:4。
5.如权利要求1-4任意一项所述泥化矸石固化剂在软岩工程中的应用，其特征在于：将所述泥化矸石固化剂按泥化矸石质量的2.4%-30%掺入泥化矸石中，与泥化矸石均匀搅拌，所述泥化矸石的含水率为80%-1000%。
6.根据权利要求5所述的应用，其特征在于：按以下步骤将所述泥化矸石固化剂掺入废弃矸石中：
（1）将纳基膨润土与高分子吸水性树脂按比例拌和均匀，得到混合料；
（2）将泥化矸石与混合料按比例混合均匀。
7.根据权利要求6所述的应用，其特征在于：将步骤（2）拌和均匀的混合料待其固化后运出井筒。
技术总结
本发明涉及软岩工程领域，尤其涉及一种泥化矸石固化剂，所述泥化矸石固化剂按照重量份数包括纳基膨润土12?27份和高分子吸水性树脂73?88份以及所述泥化矸石固化剂在富水软岩井筒泥化矸石治理中的用途。首次将高分子吸水树脂与纳基膨润土混合应用于富水软岩井筒泥化矸石治理，通过室内试验和现场工业性试验，确定了最佳配合比，为富水软岩井筒泥化矸石治理提供了科学数据，具有重要的工程应用价值。该项新技术改善了作业环境，显著提高了排矸速度。
技术研发人员：张向东;张雪峰;刘家顺
受保护的技术使用者：辽宁工程技术大学
技术研发日：2021.03.18
技术公布日：2021.05.28
声明：
“泥化矸石固化剂制备方法” 该技术专利(论文)所有权利归属于技术(论文)所有人。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系该技术所有人。
我是此专利(论文)的发明人(作者)
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编辑：中冶有色技术网
来源：辽宁工程技术大学
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