权利要求
骨料组分：30%-60%的煤矸石细粉;
胶凝组分：10%-25%的脱硫石膏;
激发剂组分：5%-15%的碱激发剂;
辅助组分：5%-15%的粉煤灰及0.5%-2%的早强减水剂;
其中，所述脱硫石膏中β-半水石膏含量不低于80%，且所述复合材料的初始流动度为200mm-300mm，初凝时间控制在3h-6h以内。
2.根据权利要求1所述的固废基矿山充填复合材料，其特征在于：所述煤矸石细粉的粒径小于75μm，且经过高温煅烧活化处理;所述煅烧温度为600℃-800℃，保温时间为1-3小时。
3.根据权利要求1所述的固废基矿山充填复合材料，其特征在于：所述碱激发剂由硅酸钠和氢氧化钠按质量比1:0.5-1:1组成;所述硅酸钠的模数为2.4-3.2。
4.根据权利要求1所述的固废基矿山充填复合材料，其特征在于：所述粉煤灰的细度为45μm筛余量≤12%，且所述早强减水剂为聚羧酸系高效减水剂。
5.基于权利要求1至4所述的固废基矿山充填复合材料的离层充填治理系统，包括地面制浆站、注浆管路及井下注浆孔，其特征在于，所述系统还包括：
动态配比模块：根据实时监测的离层裂隙宽度自动调节浆液浓度，当裂隙宽度大于50mm时，降低水胶比至0.6以下;
智能输送泵：具备变频调速功能，适应复合材料较高的粘度特性，且设有压力反馈环路;
回收净化单元：对注浆后的返浆液进行固液分离，回收未固化的骨料组分重新投入制浆站。
6.根据权利要求5所述的离层充填治理系统，其特征在于：所述动态配比模块包含PLC控制器，所述控制器连接有裂隙宽度传感器和流量计，通过PID算法实时调整各组分的投料速度。
7.根据权利要求5所述的离层充填治理系统，其特征在于：所述智能输送泵为高压多级柱塞泵，额定工作压力≥4MPa，且配备有双套交替运行的泵体以保证连续作业。
8.一种利用权利要求5所述的固废基矿山充填复合材料的离层充填治理方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：将煤矸石、粉煤灰和脱硫石膏按比例混合，加入水制成浆液;
S2：在搅拌过程中注入碱激发剂和早强减水剂，并开启高速剪切分散装置，分散时间不少于3分钟;
S3：将制备好的浆液通过高压注浆泵注入采空区上方的覆岩离层带;
S4：实时监测浆液扩散半径，当达到设计值时停止注浆并封孔。
9.根据权利要求8所述的离层充填治理方法，其特征在于：步骤S3中，注浆终压控制在0.5MPa-1.0MPa之间，且采用间歇式注浆工艺，即注浆至压力上升速率小于10%时暂停，待压力回落后再继续注浆。
10.根据权利要求8所述的离层充填治理方法，其特征在于：步骤S4之后还包括步骤S5，即利用超声波检测仪对充填体进行密实度扫描，若存在低密度区，则在对应位置进行补注。
说明书
技术领域
[0001]本发明涉及矿山与岩土工程技术领域，尤其涉及固废基矿山充填复合材料及在离层充填治理系统中的应用。
背景技术
[0002]在矿山开采过程中，地下采空区上方的岩层会因应力失衡而产生离层裂隙。若不能及时有效地充填治理，这些裂隙可能持续发展，引发地表沉陷、地下水流失等环境与安全问题。传统的水泥基注浆材料虽然强度可靠，但存在成本高昂、能耗大及碳排放量高等显著缺点，与当前绿色矿山的发展理念相悖。
[0003]与此同时，煤炭及相关产业每年产生巨量的煤矸石、粉煤灰、脱硫石膏等固体废弃物，这些固废长期堆存不仅占用土地，还造成环境污染和资源浪费，如何大规模、高附加值地消纳这些固废，已成为行业亟待解决的难题。利用固废制备矿山充填材料是理想的解决路径之一，但目前相关技术仍存在瓶颈。常见的固废基胶凝材料往往存在早期强度低、凝结时间难以调控、浆体流动性与稳定性差等问题，难以满足离层充填对材料可泵性、扩散性和凝结时效性的严苛要求。
[0004]此外，现有的离层充填工艺系统也较为粗放，材料配比在注浆过程中通常固定不变，无法根据井下离层裂隙的动态变化进行实时调整，导致充填效率与效果欠佳，同时，对于注浆后返流的浆液缺乏有效的回收利用手段，不仅造成材料浪费，也会产生新的污染。
[0005]因此，有必要提供一种新的固废基矿山充填复合材料及在离层充填治理系统中的应用解决上述技术问题。
发明内容
[0006]为解决上述技术问题，本发明提供一种性能可控、适配智能充填工艺的固废基复合材料及配套治理系统。
[0007]本发明提供的固废基矿山充填复合材料，所述复合材料由以下质量百分比的组分组成：
骨料组分：30%-60%的煤矸石细粉;
胶凝组分：10%-25%的脱硫石膏;
激发剂组分：5%-15%的碱激发剂;
辅助组分：5%-15%的粉煤灰及0.5%-2%的早强减水剂;
其中，所述脱硫石膏中β-半水石膏含量不低于80%，且所述复合材料的初始流动度为200mm-300mm，初凝时间控制在3h-6h以内。
[0008]优选地，所述煤矸石细粉的粒径小于75μm，且经过高温煅烧活化处理;所述煅烧温度为600℃-800℃，保温时间为1-3小时。
[0009]优选地，所述碱激发剂由硅酸钠和氢氧化钠按质量比1:0.5-1:1组成;所述硅酸钠的模数为2.4-3.2。
[0010]优选地，所述粉煤灰的细度为45μm筛余量≤12%，且所述早强减水剂为聚羧酸系高效减水剂。
[0011]基于固废基矿山充填复合材料的离层充填治理系统，包括地面制浆站、注浆管路及井下注浆孔，所述系统还包括：
动态配比模块：根据实时监测的离层裂隙宽度自动调节浆液浓度，当裂隙宽度大于50mm时，降低水胶比至0.6以下;
智能输送泵：具备变频调速功能，适应复合材料较高的粘度特性，且设有压力反馈环路;
回收净化单元：对注浆后的返浆液进行固液分离，回收未固化的骨料组分重新投入制浆站。
[0012]优选地，所述动态配比模块包含PLC控制器，所述控制器连接有裂隙宽度传感器和流量计，通过PID算法实时调整各组分的投料速度。
[0013]优选地，所述智能输送泵为高压多级柱塞泵，额定工作压力≥4MPa，且配备有双套交替运行的泵体以保证连续作业。
[0014]一种固废基矿山充填复合材料的离层充填治理方法，包括以下步骤：
S1：将煤矸石、粉煤灰和脱硫石膏按比例混合，加入水制成浆液;
S2：在搅拌过程中注入碱激发剂和早强减水剂，并开启高速剪切分散装置，分散时间不少于3分钟;
S3：将制备好的浆液通过高压注浆泵注入采空区上方的覆岩离层带;
S4：实时监测浆液扩散半径，当达到设计值时停止注浆并封孔。
[0015]优选地，步骤S3中，注浆终压控制在0.5MPa-1.0MPa之间，且采用间歇式注浆工艺，即注浆至压力上升速率小于10%时暂停，待压力回落后再继续注浆。
[0016]优选地，步骤S4之后还包括步骤S5，即利用超声波检测仪对充填体进行密实度扫描，若存在低密度区，则在对应位置进行补注。
[0017]与相关技术相比较，本发明提供的固废基矿山充填复合材料及在离层充填治理系统中的应用具有如下有益效果：
本发明提供的固废基矿山充填复合材料及在离层充填治理系统中的应用，以工业固废为主要原料，构建了一套优化的复合体系，该材料通过各组分的协同作用，实现了浆体流动性、凝结时间与早期强度的良好平衡，所得浆体具备优异的可泵送性能和稳定的扩散性能，能够有效渗透并充填离层裂隙，同时其凝结硬化时间可控，满足不同工程场景的需求，实现了固废资源的高效、高值化利用;集成了智能化、动态化的控制单元，系统依据离层裂隙的实时发育状况，自动调整浆液配比，使材料性能与工程需求动态匹配，极大提升了充填的精准性与适应性，针对材料特性设计的输送设备，保证了高粘稠浆液的可靠、稳定泵送，增设的浆液回收净化单元，实现了未固化固废组分的循环利用，进一步提高了资源利用率，并减少了二次排放，构建了从材料制备到工程应用的全流程技术体系。
附图说明
[0018]图1为本发明提供的利用固废基矿山充填复合材料的离层充填治理系统进行离层充填治理的方法流程图。
具体实施方式
[0019]下面结合附图和实施方式对本发明作进一步说明。
[0020]实施例1
固废基矿山充填复合材料的制备，包括以下步骤：
原料准备与预处理：
煤矸石细粉：选取自某煤矿的煤矸石，经破碎、粉磨至粒径全部小于75μm，置于箱式电阻炉中在700℃下煅烧活化2小时，自然冷却至室温，经高温活化处理，煤矸石中的高岭石等矿物转化为具有较高火山灰活性的无定形偏高岭石等物质。
[0021]脱硫石膏：采用来自火电厂的烟气脱硫石膏，主要成分为二水硫酸钙，将其在180℃下煅烧1.5小时，转化为以β-半水石膏为主的建筑石膏，经X射线衍射(XRD)分析，产物中β-半水石膏的含量为85%，满足“不低于80%”的要求。
[0022]粉煤灰：选用符合GB/T1596-2017标准的F类Ⅱ级粉煤灰，其45μm方孔筛筛余量为10%，烧失量小于5%。
[0023]碱激发剂：选用模数(SiO2/Na2O摩尔比)为2.8的固体硅酸钠与工业级片状氢氧化钠，将硅酸钠与氢氧化钠按质量比1:0.8进行混合，并加入适量水配制成浓度为40%的复合碱激发剂溶液，备用。
[0024]早强减水剂：选用固含量为40%的聚羧酸系高性能减水剂。
[0025]水：普通自来水。
[0026]复合材料配方(质量百分比)：
按干物料总质量为100%计，各组分的配比如下：
骨料组分：煤矸石细粉：45%
胶凝组分：脱硫石膏(β-半水石膏含量85%)：18%
激发剂组分：复合碱激发剂(以固体计)：10%
辅助组分：粉煤灰：10%;聚羧酸系早强减水剂(以固体计)：1%
水胶比(水与胶凝组分、激发剂组分及粉煤灰之和的质量比)：0.65
制备工艺：
步骤一：干料预混，将预处理好的煤矸石细粉、脱硫石膏、粉煤灰按照上述比例投入双轴桨叶式搅拌机中，以60rpm的转速干混5分钟，确保各固体组分均匀混合。
[0027]步骤二：制备浆液基体，向干混均匀的物料中加入总用水量的80%(剩余20%用于溶解碱激发剂和减水剂)，开启搅拌机(转速调至120rpm)，持续搅拌3分钟，形成初步的浆体。
[0028]步骤三：添加功能外加剂，将预先溶解好的复合碱激发剂溶液和聚羧酸减水剂溶液，在搅拌状态下缓慢加入浆体中，此过程中，开启连接在搅拌罐上的高速剪切分散装置(转速设定为3000rpm)，对浆体进行高强度剪切分散，持续时间4分钟，此步骤至关重要，能确保碱激发剂和减水剂在粘稠浆体中分布均匀，充分包裹固体颗粒，打破团聚，显著提升浆体的流动性和均质性。
[0029]步骤四：性能测试，搅拌完成后，立即测试浆液的性能。
[0030]流动度：依据GB/T2419-2005《水泥胶砂流动度测定方法》，采用跳桌法测试，测得浆液的初始流动度为265mm，处于200-300mm的范围，表明浆体具有良好的泵送性能。
[0031]凝结时间：依据GB/T1346-2011《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》，采用维卡仪测定，测得浆液的初凝时间为4小时15分钟，终凝时间为6小时30分钟，初凝时间控制在3-6小时内，既保证了足够的可泵送时间，又能较快形成早期强度。
[0032]抗压强度：将浆液注入40mm×40mm×160mm的三联试模，在标准养护条件(温度20±1°C，相对湿度≥90%)下养护至规定龄期后，采用压力试验机测试其抗压强度，测得3天抗压强度为2.8MPa，7天抗压强度为5.2MPa，28天抗压强度达到8.6MPa，满足矿山充填体强度发展要求。
[0033]实施例2
固废基矿山充填复合材料的制备，本实施例旨在说明各组分含量变化对复合材料性能的影响，所有原料预处理方式与实施例1相同，制备工艺一致，调整配方比例。
[0034]对比例A(高骨料含量)：
煤矸石细粉：55%;脱硫石膏：15%;碱激发剂(硅酸钠：氢氧化钠=1:0.6)：8%;粉煤灰：8%;早强减水剂：1.5%;水胶比：0.70。
[0035]测试结果：初始流动度245mm，初凝时间5h10min，28天抗压强度7.1MPa，分析：煤矸石含量增加，降低了胶凝材料占比，导致后期强度略有下降，但流动性和凝结时间仍满足要求，适用于对强度要求相对较低但需大量消纳煤矸石的场景。
[0036]对比例B(高胶凝与激发剂含量)：
煤矸石细粉：35%;脱硫石膏：22%;碱激发剂(硅酸钠：氢氧化钠=1:1)：13%;粉煤灰：7%;早强减水剂：0.8%;水胶比：0.60。
[0037]测试结果：初始流动度225mm，初凝时间3h40min，28天抗压强度10.3MPa，分析：提高脱硫石膏和碱激发剂含量，显著增强了体系的胶凝活性，凝结加快，强度显著提升，但浆体粘度增大，流动度有所降低，需通过优化减水剂用量或调整水胶比来改善泵送性。
[0038]对比例C(粉煤灰替代部分煤矸石)：
煤矸石细粉：40%;脱硫石膏：18%;碱激发剂(硅酸钠：氢氧化钠=1:0.8)：9%;粉煤灰：15%;早强减水剂：1.2%;水胶比：0.65。
[0039]测试结果：初始流动度275mm，初凝时间4h45min，28天抗压强度7.8MPa，分析：增加具有球形玻璃微珠形态的粉煤灰含量，起到了良好的“滚珠效应”，显著改善了浆体的流变性，流动度提高，粉煤灰的火山灰反应相对较慢，后期强度有提升空间，整体性能均衡。
[0040]通过以上对比可知，本发明的复合材料配方具有较宽的调控范围(煤矸石30-60%，脱硫石膏10-25%，碱激发剂5-15%，粉煤灰5-15%)，能够根据不同矿山的地质条件、离层空间大小、强度要求以及固废原料特性进行灵活调整，均能获得满足离层充填基本要求的复合材料。
[0041]实施例3
固废基矿山充填复合材料离层充填治理系统的构建与运行：
系统总体构成：
所述治理系统包括：地面制浆站、注浆管路网络和井下注浆与监测单元，集成了动态配比、智能输送与回收净化功能。
[0042]地面制浆站：为模块化、自动化的封闭式车间，内设多个原料储仓(分别储存预处理后的煤矸石细粉、脱硫石膏、粉煤灰)、液体储罐(储存碱激发剂溶液、减水剂溶液和水)、高精度电子皮带秤与液体流量计、大型立式行星搅拌机(配备高速剪切分散头)，以及浆液中转储浆罐，
注浆管路网络：由地面主输送管、垂直钻孔套管和井下分支管路组成，主管路和分支管路均采用耐磨高压无缝钢管，并配有压力传感器和温度传感器，设有自动阀门。
[0043]井下注浆与监测单元：包括布置在目标离层带的多个注浆钻孔及花管、用于监测离层发育的钻孔电视或微震监测系统。
[0044]动态配比模块：其硬件核心为西门子S7-1500系列工业级PLC，PLC通过数据线分别与安装在制浆站各原料给料装置上的执行器(变频电机控制的螺旋给料机、电磁阀控制的气动蝶阀等)，以及安装在井下的裂隙宽度传感器如采用钻孔内激光扫描或雷达测量装置)实时通信。
[0045]工作流程：井下传感器实时监测目标离层裂隙的宽度、延伸长度等几何参数，并传输至PLC，PLC内预置有不同裂隙尺寸对应的优化浆液配比数据库(当裂隙宽度>50mm时，为减少浆液离析、提高充填体强度，系统自动调用低水胶比(如0.55-0.60)、稍高胶凝材料用量的配方;当裂隙宽度较小(20-50mm)时，为保证可注性，则调用较高流动度(较高水胶比，如0.65-0.70)的配方)，PLC根据实时数据与预设算法(PID控制算法)，计算出各组分当前所需的给料速度，并输出指令调整各给料装置的运行频率，实现浆液配比的在线动态调整，同时，搅拌机处的流量计实时反馈液体组分的实际加入量，形成闭环控制，确保配比精度。
[0046]智能输送泵：本复合材料浆液粘度较高且含有细颗粒，选用高压多级柱塞泵作为核心输送设备，额定工作压力为5MPa，最大压力8MPa，满足长距离、高阻力输送要求。
[0047]变频调速功能：泵的驱动电机配备变频器，根据管路末端的压力反馈环路自动调节泵送频率，当监测到注浆压力持续快速上升(预示管路堵塞或充填空间接近饱和)，PLC会指令降低泵频，减缓注浆速度;反之则提高泵频，加快注浆。
[0048]双泵体交替运行：配备两套独立的柱塞泵泵体，通过智能阀门组连接，当一套泵体需要维护或出现故障时，系统自动切换至另一套泵体，实现注浆作业的不间断连续运行。
[0049]回收净化单元：在井下注浆孔口附近设置返浆收集槽，由于注浆压力作用，部分较稀的浆液或水分可能从裂隙或其他通道渗出，该单元包括一个初级沉淀池和一个板框压滤机。
[0050]工作流程：收集的返浆液首先进入沉淀池，粗颗粒沉淀，上清液和细颗粒浆液被泵入板框压滤机进行固液分离，分离出的固体滤饼，经检测后，被输送回地面制浆站的原料仓，按一定比例重新参与配料，滤出的废水经pH调节等简单处理后，可回用于制浆。
[0051]实施例4
如图1所示，固废基矿山充填复合材料的离层充填治理方法，包括以下步骤：
前期准备阶段：
地质勘察与设计：利用钻孔岩芯、测井资料和微震监测，确定目标离层带的位置(深度、层位)、空间形态(预估裂隙宽度、体积)及发育动态，设计注浆钻孔的孔位、数量、角度和深度，设计终孔位置位于离层带中部。
[0052]钻孔施工：按设计施工地面或井下仰孔，钻孔穿透目标离层带，下入带有射浆孔的专用注浆花管，并在花管与孔壁之间进行分段封隔，确保浆液主要注入目标离层，而非其他岩层裂隙，安装孔口管及与井下注浆管路连接的快速接头。
[0053]浆液制备与注浆阶段：
S1：基浆制备，地面制浆站根据设计的基础配方(针对预估的平均裂隙宽度40mm，采用水胶比0.65，煤矸石45%，脱硫石膏18%的配方)，启动自动上料系统，将煤矸石细粉、脱硫石膏、粉煤灰投入搅拌机，同时加入大部分拌合水，进行中速搅拌，形成均匀的基浆。
[0054]S2：活化与调浆，将S1制备的基浆泵入一个带高速剪切功能的调浆缓冲罐，在向该罐泵送基浆的同时，根据PLC的指令，通过计量泵精确注入复合碱激发剂溶液和早强减水剂溶液，同步开启高速剪切分散装置，以不低于3000rpm的转速对浆液进行强力分散，时间控制在4-5分钟，此步骤是即时进行的，确保碱激发剂在泵送前与基浆充分混合，避免因提前混合导致浆体过早凝结，调浆完成后，浆液进入智能输送泵的喂料斗。
[0055]S3：智能注浆，启动智能输送泵，将浆液通过管路泵送至井下目标注浆孔。
[0056]压力控制：初始注浆采用较低压力(0.3-0.5MPa)，使浆液平稳进入裂隙，随着充填进行，阻力增大，压力逐渐上升，本实施例中，将注浆终压控制在0.8MPa，同时采用间歇式注浆工艺：当监测到注浆压力在10分钟内的上升速率超过10%时，PLC自动暂停注浆(停泵)，此时浆液在压力作用下继续向裂隙深处渗透、析水、初步稠化，待压力表显示压力回落至峰值压力的70%左右时(表明浆液发生了初步的静置凝结，阻力部分消除)，系统自动重启注浆，如此循环，能有效扩大浆液扩散半径，避免因压力积聚过快导致岩层劈裂或管路堵塞，实现更致密、更均匀的充填。
[0057]动态调整：在注浆过程中，井下监测的实时裂隙宽度数据不断传回，当数据显示某区域裂隙宽度显著增大至60mm时，动态配比模块立即响应，PLC指令制浆站调整后续批次浆液的配比，将水胶比降至0.58，并相应微调各组分比例，制备更浓稠、强度发展更快的浆液进行针对性灌注。
[0058]S4：注浆结束与封孔，注浆过程中，通过安装在邻近监测孔中的电阻率CT系统或微震事件定位，实时反演浆液的扩散半径，当多个方向上的扩散半径均达到设计值，且注浆孔口压力在间歇注浆模式下长时间稳定在终压值(0.8MPa)不再显著下降，表明离层空间已基本充满，此时，停止注浆，利用泵送少量清水或专用清洗球清洗管路后，对注浆孔进行压力封孔，注入高强水泥浆封堵孔段，完成单孔注浆作业。
[0059]效果评估与后处理阶段：
S5：充填体质量检测与补注，在所有设计注浆孔施工完毕并养护7-14天后，进行充填体质量评估。
[0060]评估手段：从地面或邻近巷道向已充填的离层带施工数个检测钻孔，利用钻孔，将超声波检测仪的探头下放至充填区段，通过发射和接收超声波脉冲，测量声波在充填体中的波速，声波波速与介质的密实度、强度密切相关，通过扫描不同深度和方位的波速，绘制出充填体的密实度三维分布图。
[0061]补注措施：分析密实度分布图，若识别出存在明显的低密度区或空洞(表现为波速异常低)，则将这些区域的空间坐标定位，随后，在距离低密度区最近的位置，施工补充注浆孔，针对性地制备流动性好、微膨胀的浆液，对该区域进行精准补注，直至检测数据显示密实度达标，此步骤确保了充填体的完整性和长期稳定性，杜绝了后期因充填不实导致覆岩再次沉降的风险。
[0062]以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
说明书附图(1)
