权利要求

1.一种采空区煤基固废充填及重金属控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、充填空间重构：在采空区底板充填改性防水砂浆，在改性防水砂浆上铺设防水隔膜;在采空区周围用木板设立挡板，在围岩与挡板间铺设防水隔膜并充填改性防水砂浆，完成养护后拆模;按重量份计，所述改性防水砂浆包括1000-1300份1-3mm煤矸石、400-600份硫铝酸盐水泥、50-100份苯丙乳液-丙烯酸乳液混合物、5-20份抗渗剂;

S2、煤基固废充填：将煤基固废充填材料充填至已建设完成的充填空间中;

S3、盖层封堵处理：充填结束后，在煤基固废充填体表面继续充填一层改性防水砂浆，然后再铺设一层硅酸盐改性聚氨酯膜。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S1中，底板铺设防水隔膜的厚度为1-5mm，所述防水隔膜为聚丙烯防渗土工膜。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S1中，底板充填改性防水砂浆的厚度为10-20mm，

所述苯丙乳液-丙烯酸乳液混合物中，苯丙乳液、丙烯酸乳液的重量比例为1:1，

所述抗渗剂包括硅酸钠或正辛基三乙氧基硅烷其中任意至少一种。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S1中，所述围岩与挡板间距为10-30cm;

步骤S1中，所述围岩与挡板间铺设防水隔膜布置位置远离围岩与底板一侧。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S1中，所述改性防水砂浆养护时间大于72h。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S2中，所述煤基固废充填材料包括：煤基固废、水泥、水及吸附剂，所述煤基固废中含有重金属;

所述煤基固废充填材料的制备方法包括：煤基固废破碎后，与水泥、水及吸附剂混合搅拌形成。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述煤基固废破碎后粒径小于3mm。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述煤基固废充填材料按重量份计包括：煤基固废65-85份、水泥5-15份、水5-10份、吸附剂5-10份，其添加顺序为：先将煤基固废与水泥、吸附剂干料混合搅拌2-5分钟，然后加水搅拌5-10分钟。

9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述吸附剂是4A分子筛，粒径为2-5mm。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S3中，所述在煤基固废充填体表面继续充填的改性防水砂浆的厚度为15-30cm，

所述硅酸盐改性聚氨酯材料膜的厚度为1-5mm。

说明书

技术领域

[0001]本发明属于和采矿和环境保护领域，具体涉及一种采空区煤基固废充填及重金属控制方法。

背景技术

[0002]煤炭开采形成了大量采空区，同时产生煤矸石等煤基固废堆存问题，引发地表沉陷与重金属迁移等环境风险，亟需推进固废资源化与矿区生态修复。当前充填技术存在固废利用率低、重金属固化不稳等瓶颈，亟需研发高效充填与长效重金属控制协同技术，实现“以废治害、绿色修复”，为矿区可持续发展提供关键技术支撑。

[0003]针对煤基固废充填，CN202511213663.6一种煤基固废充填膏体的制备装置，包括粉碎筛分罐、筛分组件、搅拌组件、检测件。CN202510925145.0一种多源煤基固废充填材料的制备方法，取水泥、减水剂与煤基固废混合均匀得混合物料，在其中加入含氟矿井水搅拌混合得到具有预定流动性和泌水率的胶结的多源煤基固废充填材料。CN202510303806.6一种煤基固废充填材料输送性能改良剂、制备方法及应用，通过改良剂的添加到煤基固废充填材料中可调节改善煤基固废充填材料如煤矸石、粉煤灰、气化炉渣等固废浆液流动性、稳定性。现有煤基固废充填技术主要重心在如何大量消耗煤基固废，而忽略了煤基固废中重金属的控制。

[0004]因此，本发明提出在充填区域地板及四周铺设防水膜与防水砂浆，将煤基固废充填物充入充填区域后，再用防水砂浆与硅酸盐改性聚氨酯膜作盖层封堵处理，达到将含有重金属的煤基固废封存在充填区的目的，使重金属离子无法析出至充填区以外，以期为重金属防控、煤基固废处理、绿色开采提供一种新的方法。

发明内容

[0005]发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种采空区煤基固废充填及重金属控制方法，使用防水膜与防水砂浆固封充填区，控制含有Cu、Cr、Pb等重金属离子的煤基固废充填材料中重金属离子的析出，提升固废利用率，降低重金属离子对环境的污染，达到绿色开采的目的。

[0006]技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

[0007]本发明的第一个目的是，提供一种采空区煤基固废充填及重金属控制方法，包括以下步骤：

[0008]S1、充填空间重构：在采空区底板充填改性防水砂浆，在改性防水砂浆上铺设防水隔膜;在采空区周围用木板设立挡板，在围岩与挡板间铺设防水隔膜并充填改性防水砂浆，完成养护后拆模;按重量份计，所述改性防水砂浆包括1000-1300份1-3mm煤矸石、400-600份硫铝酸盐水泥、50-100份苯丙乳液-丙烯酸乳液混合物、5-20份抗渗剂;

[0009]S2、煤基固废充填：将煤基固废充填材料充填至已建设完成的充填空间中;

[0010]S3、盖层封堵处理：充填结束后，在煤基固废充填体表面继续充填一层改性防水砂浆，然后在充填一层硅酸盐改性聚氨酯膜。

[0011]可选的，在本发明的一种实施方式中，步骤S1中，所述底板铺设防水隔膜的厚度为1-5mm，所述防水隔膜材料为聚丙烯防渗土工膜。

[0012]可选的，在本发明的一种实施方式中，步骤S1中，底板充填所述改性防水砂浆的厚度为10-20mm。

[0013]可选的，在本发明的一种实施方式中，所述苯丙乳液-丙烯酸乳液混合物中，苯丙乳液、丙烯酸乳液的重量比例为1:1。

[0014]可选的，在本发明的一种实施方式中，所述抗渗剂包括无机结晶抗渗剂或有机硅烷抗渗剂其中任意至少一种。

[0015]可选的，在本发明的一种实施方式中，步骤S1中，所述围岩与挡板间距大于10cm，围岩与挡板间铺设防水隔膜布置位置远离围岩与底板一侧。优选的，所述围岩与挡板间距为10-30cm。

[0016]可选的，在本发明的一种实施方式中，步骤S1中，所述改性防水砂浆养护时间大于72h。

[0017]可选的，在本发明的一种实施方式中，步骤S3中，所述改性防水砂浆的厚度为15-30cm。

[0018]可选的，在本发明的一种实施方式中，步骤S3中，所述硅酸盐改性聚氨酯膜为煤矿喷涂堵漏风用硅酸盐改性聚氨酯材料。

[0019]可选的，在本发明的一种实施方式中，步骤S3中，所述硅酸盐改性聚氨酯膜的厚度为1-5mm。

[0020]可选的，在本发明的一种实施方式中，步骤S2中，所述煤基固废充填材料包括：煤基固废、水泥、水及吸附剂，所述煤基固废中含有重金属;

[0021]所述煤基固废充填材料的制备方法包括：煤基固废破碎后，与水泥、水及吸附剂混合搅拌形成。

[0022]可选的，在本发明的一种实施方式中，所述煤基固废破碎后粒径小于3mm。

[0023]可选的，在本发明的一种实施方式中，所述充填材料按重量份计包括：煤基固废65-85份、水泥5-15份、水5-10份、吸附剂5-10份，其添加顺序为：先将煤基固废与水泥、吸附剂干料混合搅拌2-5分钟，然后加水搅拌5-10分钟。

[0024]可选的，在本发明的一种实施方式中，所述吸附剂是4A分子筛，粒径为2-5mm。

[0025]有益效果：本发明提供的采空区煤基固废充填及重金属控制方法，与现有煤基固废充填方法及重金属防控方法相比，本发明具有以下优点：

[0026](1)通过先充填改性防水砂浆，再铺设防水隔膜，最后在围岩与挡板间再次充填改性防水砂浆，实际上是在采空区的底部和四周构建了一个“硬-软-硬”的复合防渗层。构建“物理隔离舱”，阻断迁移通道，将污染源由被动控制重金属迁移变为从源头主动隔离，实现本质安全;

[0027](2)煤基固废与水泥混合，水化反应生成C-S-H凝胶，将重金属通过化学键合和物理包裹的方式固化，并采用4A分子筛实现对铅、镉、铬等重金属离子极强的吸附，实现重金属化学固化与物理吸附的“双保险”，本专利通过空间重构(S1)+材料优化(S2)+盖层封堵(S3)的组合拳，使得物理隔绝与化学稳定互为补充、互为支撑，从而在复杂的地下环境中，实现了对重金属析出的长效、稳定控制;

[0028](3)整体用料成本低，后期无需进行渗透液处理，相较于传统重金属控制方法平均成本大幅下降;

[0029](4)适用于重金属含量高、毒性大的固废(如煤气化渣、钢渣等)，尤其是含有Cu、Cr、Pb等重金属离子的固废，以及对地下水保护要求极端敏感的区域(如临近水源地)。其“零渗出”或“极低渗出”的设计目标，能将环境风险降至最低。

附图说明

[0030]图1为本发明采空区煤基固废充填的结构示意图。

具体实施方式

[0031]本发明的目的是提供一种采空区煤基固废充填及重金属控制方法，旨在提升煤基固废的利用率，防控重金属析出对环境的危害，实现环境保护、绿色开采。

[0032]本发明涉及一种采空区煤基固废充填及重金属控制方法，属于和采矿和环境保护领域。本发明中改性防水砂浆所需材料为：1000-1300份1-3mm煤矸石、400-600份硫铝酸盐水泥、50-100份苯丙乳液和丙烯酸乳液混合物、5-20份抗渗剂组成。本发明中固废充填砂浆所需材料为：煤基固废65-85份、水泥5-15份、水5-10份、吸附剂5-10份。

[0033]本发明采空区煤基固废充填及重金属控制方法包括以下步骤：

[0034]S1、充填空间重构：在采空区底板充填改性防水砂浆，在改性防水砂浆上铺设防水隔膜;在采空区周围用木板设立挡板，在围岩与挡板间铺设防水隔膜并充填改性防水砂浆，完成养护后拆模;

[0035]S2、煤基固废充填：将重金属含量较高的煤基固废(例如煤气化渣、钢渣等)破碎，与水泥、水、吸附剂混合搅拌，并充填至已建设完成的充填空间中;

[0036]S3、盖层封堵处理：充填结束后，在煤基固废充填体表面继续充填一层改性防水砂浆，然后再铺设一层改性聚氨酯膜。

[0037]本发明以下实施例中，所述硅酸盐改性聚氨酯膜为煤矿喷涂堵漏风用硅酸盐改性聚氨酯材料，购自渭南陕煤启辰科技有限公司。

[0038]下面结合实施例对本发明作更进一步的说明。根据下述实施例，可以更好的理解本发明。然而，本领域的技术人员容易理解，实施例所描述的具体的物料配比、工艺条件及其结果仅用于说明本发明，而不应当也不会限制权利要求书中所详细描述的本发明。

[0039]实施例1

[0040]S1、充填空间重构：使用1000份1mm的煤矸石、400份硫铝酸盐水泥、50份苯丙乳液和丙烯酸乳液1：1混合物和5份硅酸钠组成的改性防水砂浆，铺在采空区底板上;在改性防水砂浆上铺设厚度为5mm的聚丙烯防渗土工膜;在采空区周围用木板设立挡板，挡板与围岩间隔20cm，将防水隔膜铺设在围岩与挡板间远离围岩与底板一侧，并充填改性防水砂浆，养护96h后拆模;

[0041]S2、煤基固废充填：将粉煤灰与煤矸石按1：3比例混合破碎至粒径小于3mm，选取65份破碎煤基固废与5份水泥、5份4A分子筛干料混合搅拌5分钟，之后加入5份水搅拌10分钟，充填至已建设完成的充填空间中;

[0042]S3、盖层封堵处理：充填结束后，在煤基固废充填体表面继续充填一层厚度为30cm的改性防水砂浆，然后在充填一层厚度为5mm的硅酸盐改性聚氨酯膜。

[0043]实施例2

[0044]S1、充填空间重构：使用1300份1mm的煤矸石、600份硫铝酸盐水泥、100份苯丙乳液和丙烯酸乳液1：1混合物和20份硅酸钠组成的改性防水砂浆，铺在采空区底板上;在改性防水砂浆上铺设厚度为5mm的聚丙烯防渗土工膜;在采空区周围用木板设立挡板，挡板与围岩间隔20cm，将防水隔膜铺设在围岩与挡板间远离围岩与底板一侧，并充填改性防水砂浆，养护96h后拆模;

[0045]S2、煤基固废充填：将粉煤灰与煤矸石按1：3比例混合破碎至粒径小于3mm，选取65份破碎煤基固废与5份水泥、5份4A分子筛干料混合搅拌5分钟，之后加入5份水搅拌10分钟，充填至已建设完成的充填空间中;

[0046]S3、盖层封堵处理：充填结束后，在煤基固废充填体表面继续充填一层厚度为30cm的改性防水砂浆，然后在充填一层厚度为5mm的硅酸盐改性聚氨酯膜。

[0047]实施例3

[0048]S1、充填空间重构：使用1300份3mm的煤矸石、400份硫铝酸盐水泥、100份苯丙乳液和丙烯酸乳液1：1混合物和10份抗硅酸钠组成的改性防水砂浆，铺在采空区底板上;在改性防水砂浆上铺设厚度为5mm的聚丙烯防渗土工膜;在采空区周围用木板设立挡板，挡板与围岩间隔20cm，将防水隔膜铺设在围岩与挡板间远离围岩与底板一侧，并充填改性防水砂浆，养护96h后拆模;

[0049]S2、煤基固废充填：将粉煤灰与煤矸石按1：3比例混合破碎至粒径小于3mm，选取65份破碎煤基固废与5份水泥、5份4A分子筛干料混合搅拌5分钟，之后加入5份水搅拌10分钟，充填至已建设完成的充填空间中;

[0050]S3、盖层封堵处理：充填结束后，在煤基固废充填体表面继续充填一层厚度为30cm的改性防水砂浆，然后在充填一层厚度为5mm的硅酸盐改性聚氨酯膜。

[0051]实施例4

[0052]S1、充填空间重构：使用1000份3mm的煤矸石、400份硫铝酸盐水泥、100份苯丙乳液和丙烯酸乳液1：1混合物和10份硅酸钠组成的改性防水砂浆，铺在采空区底板上;在改性防水砂浆上铺设厚度为5mm的聚丙烯防渗土工膜;在采空区周围用木板设立挡板，挡板与围岩间隔20cm，将防水隔膜铺设在围岩与挡板间远离围岩与底板一侧，并充填改性防水砂浆，养护96h后拆模;

[0053]S2、煤基固废充填：将粉煤灰与煤矸石按1：3比例混合破碎至粒径小于3mm，选取65份破碎煤基固废与15份水泥、10份4A分子筛干料混合搅拌5分钟，之后加入10份水搅拌10分钟，充填至已建设完成的充填空间中;

[0054]S3、盖层封堵处理：充填结束后，在煤基固废充填体表面继续充填一层厚度为30cm的改性防水砂浆，然后在充填一层厚度为5mm的硅酸盐改性聚氨酯膜。

[0055]实施例5

[0056]S1、充填空间重构：使用1000份1mm的煤矸石、600份硫铝酸盐水泥、100份苯丙乳液和丙烯酸乳液1：1混合物和15份硅酸钠组成的改性防水砂浆，铺在采空区底板上;在改性防水砂浆上铺设厚度为5mm的聚丙烯防渗土工膜;在采空区周围用木板设立挡板，挡板与围岩间隔20cm，将防水隔膜铺设在围岩与挡板间远离围岩与底板一侧，并充填改性防水砂浆，养护96h后拆模;

[0057]S2、煤基固废充填：将粉煤灰与煤矸石按1：3比例混合破碎至粒径小于3mm，选取65份破碎煤基固废与15份水泥、5份4A分子筛干料混合搅拌5分钟，之后加入5份水搅拌10分钟，充填至已建设完成的充填空间中;

[0058]S3、盖层封堵处理：充填结束后，在煤基固废充填体表面继续充填一层厚度为30cm的改性防水砂浆，然后在充填一层厚度为5mm的硅酸盐改性聚氨酯膜。

[0059]实施例6

[0060]S1、充填空间重构：使用1300份1mm的煤矸石、400份硫铝酸盐水泥、100份苯丙乳液和丙烯酸乳液1：1混合物和15份硅酸钠组成的改性防水砂浆，铺在采空区底板上;在改性防水砂浆上铺设厚度为5mm的聚丙烯防渗土工膜;在采空区周围用木板设立挡板，挡板与围岩间隔20cm，将防水隔膜铺设在围岩与挡板间远离围岩与底板一侧，并充填改性防水砂浆，养护96h后拆模;

[0061]S2、煤基固废充填：将粉煤灰与煤矸石按1：3比例混合破碎至粒径小于3mm，选取65份破碎煤基固废与15份水泥、10份4A分子筛干料混合搅拌5分钟，之后加入10份水搅拌10分钟，充填至已建设完成的充填空间中;

[0062]S3、盖层封堵处理：充填结束后，在煤基固废充填体表面继续充填一层厚度为30cm的改性防水砂浆，然后在充填一层厚度为5mm的硅酸盐改性聚氨酯膜。

[0063]对比例1

[0064]为了研究两侧充填改性防水砂浆对充填防控重金属的影响，本对比例采用与实施例1相似，区别在于在采空区周围不进行改性防水砂浆充填，具体方法如下：

[0065]S1、充填空间重构：使用1000份1mm的煤矸石、400份硫铝酸盐水泥、50份苯丙乳液和丙烯酸乳液1：1混合物和5份硅酸钠组成的改性防水砂浆，铺在采空区底板上;在改性防水砂浆上铺设厚度为5mm的聚丙烯防渗土工膜;

[0066]S2、煤基固废充填：将粉煤灰与煤矸石按1：3比例混合破碎至粒径小于3mm，选取65份破碎煤基固废与5份水泥、5份4A分子筛干料混合搅拌5分钟，之后加入5份水搅拌10分钟，充填至已建设完成的充填空间中;

[0067]S3、盖层封堵处理：充填结束后，在煤基固废充填体表面继续充填一层厚度为30cm的改性防水砂浆，然后再铺设一层厚度为5mm的硅酸盐改性聚氨酯膜。

[0068]对比例2

[0069]为了研究上部充填改性防水砂浆进行盖层封堵对充填防控重金属的影响，本对比例采用与实施例1相似，区别在于在采空区充填后不进行盖层封堵处理，具体方法如下：

[0070]S1、充填空间重构：使用1000份1mm的煤矸石、400份硫铝酸盐水泥、50份苯丙乳液和丙烯酸乳液1：1混合物和5份硅酸钠组成的改性防水砂浆，铺在采空区底板上;在改性防水砂浆上铺设厚度为5mm的聚丙烯防渗土工膜;在采空区周围用木板设立挡板，挡板与围岩间隔20cm，将防水隔膜铺设在围岩与挡板间远离围岩与底板一侧，并充填改性防水砂浆，养护96h后拆模;

[0071]S2、煤基固废充填：将粉煤灰与煤矸石按1：3比例混合破碎至粒径小于3mm，选取65份破碎煤基固废与5份水泥、5份4A分子筛干料混合搅拌5分钟，之后加入5份水搅拌10分钟，充填至已建设完成的充填空间中。

[0072]对比例3

[0073]为了研究上部四周充填改性防水砂浆对充填防控重金属的影响，本对比例采用直接进行煤基固废充填的处理方法，具体方法如下：

[0074]S1、煤基固废充填：将粉煤灰与煤矸石按1：3比例混合破碎至粒径小于3mm，选取65份破碎煤基固废与5份水泥、5份4A分子筛干料混合搅拌5分钟，之后加入5份水搅拌10分钟，充填至充填空间中。

[0075]各实施例所得充填体试件进行性能测试，测试方法包括模拟矿井水浸泡，测其溶液中Cu、Cr、Pb等重金属离子浸出含量;测抗压、抗剪等力学性能等。结果如表1所示。

[0076]表1 实验结果

[0077]

[0078]以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

说明书附图(1)