黃土粉煤灰基新型煤礦充填材料配比試驗(yàn)研究

孫凱華

(天地科技股份有限公司開(kāi)采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京100013)

隨著礦山充填技術(shù)的發(fā)展，充填材料和工藝在不斷改造和創(chuàng)新的過(guò)程中得到發(fā)展，經(jīng)歷了水砂充填、低濃度膠結(jié)充填、高濃度膠結(jié)充填、膏體泵送充填、高水 (超高水)材料固結(jié)充填及其他新型材料 (似膏體)自流輸送充填等幾個(gè)階段［1－3］，目前煤礦采空區(qū)充填主要采用膏體泵送充填和似膏體(高水)自流充填這兩種充填材料和工藝。

傳統(tǒng)的膏體和似膏體充填材料對(duì)粉煤灰的需求量較大，隨著粉煤灰綜合利用技術(shù)的推廣，粉煤灰得到了廣泛地應(yīng)用，其價(jià)格不斷上漲，尤其是在粉煤灰相對(duì)較少，價(jià)格較高的西北礦區(qū)實(shí)施充填開(kāi)采，較高摻量的粉煤灰導(dǎo)致充填材料成本偏高，影響了充填開(kāi)采的經(jīng)濟(jì)技術(shù)效益，制約了充填開(kāi)采技術(shù)的推廣。為了解決這一問(wèn)題，減少粉煤灰的用量，本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)探索一種具有良好的力學(xué)性能且適宜輸送的廉價(jià)新型充填材料，滿足煤礦采空區(qū)充填的工藝要求。

我國(guó)西北地區(qū)有豐富的黃土、風(fēng)積砂等天然的充填原材料，目前，對(duì)黃土粉煤灰共同作為充填材料主要成分的研究較少［4－8］，針對(duì)煤礦充填材料的特點(diǎn)，采用以黃土、粉煤灰為主料，以水泥、石灰堿性材料為輔料，進(jìn)行新型充填材料的配合比實(shí)驗(yàn)，得到煤礦新型充填材料的配比，實(shí)現(xiàn)用黃土取代傳統(tǒng)充填材料中的部分粉煤灰，在滿足充填材料性能的前提下，最大限度地降低充填材料成本。

1 充填料漿加固機(jī)理

粉煤灰作為充填材料主要是利用其潛在火山灰活性在堿性條件下得以激發(fā)“堿激發(fā)”原理，粉煤灰主要成分為 SiO2，Al2O3及少量的 Fe2O3和CaO等，生石灰主要成分是CaO。粉煤灰的顆粒均勻細(xì)小，比表面積大，石灰與水的摻入激發(fā)了粉煤灰的活性，在粉煤灰粒子界面發(fā)生火山灰反應(yīng)，形成纖維狀晶體，使得后期強(qiáng)度不斷提高。黃土的主要成分為SiO2和Al2O3等，其活性較低。粉煤灰、石灰與黃土在一定含水量條件下，在堿性環(huán)境中經(jīng)充分反應(yīng)后形成致密的混合結(jié)構(gòu)，具有強(qiáng)度高、壓縮性小、自重輕等工程特性，促進(jìn)了黃土的水化水解和凝膠作用，改善了黃土的工程災(zāi)害性，同時(shí)粉煤灰與石灰代替部分水泥，降低了工程成本，實(shí)現(xiàn)了廢物利用。3種混合材料在一定的含水率條件下發(fā)生系列水化反應(yīng)，生成的水化物在空氣與水中逐漸硬化，強(qiáng)度隨著時(shí)間的增長(zhǎng)而逐漸增大。其主要的反應(yīng)原理如下:

充填體的早期強(qiáng)度主要是以水泥的水化反應(yīng)為基礎(chǔ)，后期強(qiáng)度的增長(zhǎng)主要由粉煤灰的活性激發(fā)及其與黃土等材料的反應(yīng)情況決定。

由于新型充填材料自身的特點(diǎn)，當(dāng)各種水化物生成后，有的自行繼續(xù)硬化形成鈣礬石骨架，有的則與黃土相互作用，其作用形式可歸納為:離子交換與團(tuán)?；饔?、水泥的凝結(jié)硬化、碳酸化作用和硬凝反應(yīng)等4個(gè)方面。

由充填料漿的水化反應(yīng)機(jī)理可知，粉煤灰中SiO2，Al2O3等活性成分的激發(fā)和水泥熟料礦物C3A等的水化是在Ca(OH)2存在的環(huán)境中進(jìn)行的，這也是充填料漿硬化過(guò)程中的特點(diǎn)之一，Ca(OH)2在液相中處于飽和狀態(tài)。水化硅酸鈣等水化產(chǎn)物只有在飽和Ca(OH)2溶液的環(huán)境中才能保持穩(wěn)定，否則就會(huì)發(fā)生水解，并離析出游離的CaO到溶液中去，直到Ca(OH)2溶液的濃度升高到足以使其穩(wěn)定存在時(shí)為止。當(dāng)將石灰加入到溶液中去時(shí)，強(qiáng)度較低的低堿性水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣和水化鐵酸鈣就會(huì)同石灰結(jié)合生成強(qiáng)度較高的高堿性水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣等水化產(chǎn)物，并在石膏的作用下反應(yīng)生成具有水硬膠結(jié)性的鈣礬石(AFt)，從而使充填體的后期強(qiáng)度得到提高。

2 料漿原材料選取及實(shí)驗(yàn)方案

為了測(cè)定以黃土與粉煤灰為主的充填材料制成充填體的物理力學(xué)性質(zhì)，研究黃土和粉煤灰共同作為充填材料的可行性，得到黃土粉煤灰基新型煤礦充填材料配比，進(jìn)行了以下實(shí)驗(yàn)。

2.1 料漿原材料的選取及充填材料的主要指標(biāo)

試驗(yàn)用水為西安臨潼區(qū)生活用水，無(wú)懸浮物，無(wú)色無(wú)味，合乎試驗(yàn)要求。黃土為西安臨潼區(qū)馬蘭黃土 (Q3)，淺黃色，經(jīng)0.5mm試驗(yàn)篩過(guò)篩，105℃烘干。粉煤灰為西安灞橋熱電廠生產(chǎn)的Ⅱ級(jí)粉煤灰。水泥為臨潼當(dāng)?shù)氐V山牌P.O 32.5普通硅酸鹽水泥，其物理、化學(xué)檢驗(yàn)結(jié)果符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB1344－1999)。石灰為陜西富平曹村鎮(zhèn)華泰建材有限責(zé)任公司的鈣質(zhì)石灰。外加劑為市售化學(xué)試劑，主要為鹽堿類激發(fā)劑。其中黃土和粉煤灰統(tǒng)稱為主料，水泥、生石灰和石膏統(tǒng)稱為輔料，主料、輔料和外加劑合稱為固料。

根據(jù)充填工藝對(duì)充填材料的要求，充填料漿一般條件下應(yīng)具備以下特征［9－10］:料漿的流動(dòng)性應(yīng)根據(jù)充填設(shè)備、工藝特點(diǎn)及實(shí)際充填工程經(jīng)驗(yàn)確定，滿足自流輸送工藝的料漿稠度應(yīng)不超過(guò)14s，滿足泵壓輸送的料漿坍落度應(yīng)不小于200mm。料漿的固結(jié)性狀:靜置泌水率不超過(guò)5%。料漿的初、終凝時(shí)間要求料漿既有足夠的可泵送時(shí)間或可流動(dòng)時(shí)間，又能到達(dá)充填工作面后及時(shí)凝固自立，一般料漿的初凝時(shí)間應(yīng)大于2.5h，終凝時(shí)間在1～2d之內(nèi)。料漿結(jié)石體的抗壓強(qiáng)度取決于采礦地質(zhì)條件和煤礦開(kāi)采工藝，一般要求實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下8～10h強(qiáng)度不小于 0.1MPa，28d強(qiáng)度不小于1.5MPa。

2.2 料漿配比方案與單軸壓縮試驗(yàn)

2.2.1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)充填材料的性質(zhì)及充填工藝對(duì)充填材料的要求，利用正交原理安排試驗(yàn)［11－12］。本試驗(yàn)主要考慮5種因素，即料漿質(zhì)量濃度 (X1)、主料中黃土與粉煤灰質(zhì)量比 (土灰比X2)、輔料與固料的質(zhì)量比 (輔料添加量X3)，外加劑與固料的質(zhì)量比(外加劑添加量X4)，充填體養(yǎng)護(hù)時(shí)間(X5)。選定的指標(biāo)為:稠度(s)、坍落度(mm)、初終凝時(shí)間(h)、結(jié)石率(%)、各養(yǎng)護(hù)時(shí)間單軸抗壓強(qiáng)度 (MPa)。本試驗(yàn)為五個(gè)因素四水平，選用正交表L16(45)安排試驗(yàn)。具體影響因素和水平排列如表1所示。

表1 試驗(yàn)因素與水平排列

料漿的流動(dòng)性能采用水泥料漿稠度測(cè)定儀及坍落度儀測(cè)得;試樣采用立方三聯(lián)砂漿抗壓試模制成7.07cm×7.07cm×7.07cm的標(biāo)準(zhǔn)試塊，待終凝后，拆模，參照井下還原環(huán)境，放在恒溫 (20±5)℃的水中養(yǎng)護(hù);料漿的初、終凝時(shí)間采用新標(biāo)準(zhǔn)法維卡儀測(cè)得;料漿結(jié)石率利用鋼尺測(cè)得 (實(shí)際結(jié)石體高度與標(biāo)準(zhǔn)試樣高度7.07cm比值);結(jié)石體單軸抗壓強(qiáng)度采用微機(jī)控制電子式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試。

2.2.2 試塊主要指標(biāo)測(cè)試

按照試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案配制的料漿，測(cè)定其物理性質(zhì)，參照井下環(huán)境，放在恒溫 (20±5)℃的水中分別養(yǎng)護(hù)3d，7d，14d及28d后，采用微機(jī)控制電子式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)分別測(cè)不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間試樣的結(jié)石率和單軸抗壓強(qiáng)度，每組6個(gè)試塊，取其平均值，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 料漿主要指標(biāo)及試塊單軸強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)表2分析可知:各組試驗(yàn)的泌水率均能達(dá)到要求，在其他條件基本一致時(shí)，隨著料漿濃度的提高，料漿流動(dòng)性越差，可灌性越低;外添加劑含量越高，初、終凝時(shí)間越短;養(yǎng)護(hù)天數(shù)越長(zhǎng)，結(jié)石體強(qiáng)度越高。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)各因素對(duì)結(jié)石體單軸抗壓強(qiáng)度的影響

在充填料漿凝固時(shí)間、結(jié)石率和強(qiáng)度等指標(biāo)中，結(jié)石體的強(qiáng)度是最為重要的一個(gè)指標(biāo)，因此本試驗(yàn)以單軸抗壓強(qiáng)度作為評(píng)判結(jié)果，利用正交試驗(yàn)結(jié)果分析判斷各因素與水平對(duì)結(jié)果的影響。試驗(yàn)結(jié)果分析見(jiàn)表3。

表3 單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果分析 MPa

從表3中各因素對(duì)結(jié)果影響的極差R可以看出:濃度對(duì)結(jié)果的影響最大，為主導(dǎo)因素，其余因素的極差差別不大，說(shuō)明各因素重要程度相當(dāng)，在工程實(shí)踐中都應(yīng)同等重視。為進(jìn)一步了解各因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響程度，得到最優(yōu)配比，根據(jù)表3，利用各水平強(qiáng)度之和，得到的因素影響結(jié)果的趨勢(shì)如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)各因素對(duì)強(qiáng)度的影響

由圖1可以看出:

(1)結(jié)石體抗壓強(qiáng)度隨著料漿濃度升高而升高，說(shuō)明料漿濃度越大，結(jié)石體強(qiáng)度越高。充填料漿濃度偏低，料漿中多余的水分無(wú)法參與水化反應(yīng)，大量自由水的存在對(duì)充填體強(qiáng)度的增長(zhǎng)不利，同時(shí)還導(dǎo)致充填體結(jié)石率偏低，影響充填工作面的充填率。料漿濃度優(yōu)選配比范圍為60%～65%。

(2)隨黃土與粉煤灰質(zhì)量比的增大，結(jié)石體的抗壓強(qiáng)度呈先增大后減小趨勢(shì)，在土灰比為1∶2時(shí)達(dá)到較大值，當(dāng)土灰比大于1∶1之后又趨于穩(wěn)定的較低值，說(shuō)明黃土與粉煤灰的比例存在一個(gè)較優(yōu)的范圍，即土灰比在1∶1.5～1∶3之間。

(3)隨著輔料占固料質(zhì)量比的增大，結(jié)石體抗壓強(qiáng)度呈先下降后上升再下降的趨勢(shì)，在輔料占固料25%左右時(shí)達(dá)到最小值，在32%左右時(shí)達(dá)到最大值。當(dāng)輔料比例小于20%時(shí)，使得主料比例相對(duì)較大，結(jié)石體強(qiáng)度相對(duì)25%時(shí)有所提高，但考慮到輔料中的水泥對(duì)料漿凝膠的影響以及石灰對(duì)后期強(qiáng)度提高的作用，故優(yōu)化區(qū)域宜選在30%～33%之間。

(4)隨著外添加劑占固料質(zhì)量比的增大，結(jié)石體抗壓強(qiáng)度呈先下降后上升的趨勢(shì)，在外添加劑占固料8%左右時(shí)達(dá)到最小值，在4%左右達(dá)到較大值。另外，外添加劑比例大于8%時(shí)試樣強(qiáng)度有所提高，但考慮添加劑中的速凝劑對(duì)凝膠時(shí)間的影響以及其工程成本，添加劑的優(yōu)化比例宜在5%～7%之間。

(5)試樣的抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加呈增大的趨勢(shì)，14d養(yǎng)護(hù)期內(nèi)強(qiáng)度提高迅速，養(yǎng)護(hù)14d后試樣強(qiáng)度提高速度相對(duì)較慢，且養(yǎng)護(hù)期大于28d后逐漸趨于穩(wěn)定。表明粉煤灰的活性激發(fā)及其與黃土等材料的主要反應(yīng)發(fā)生在14d以內(nèi)，28d后各原材料已基本完成全部反應(yīng)。

由圖1可知，單個(gè)配比的優(yōu)選條件為:料漿濃度為60%，黃土粉煤灰質(zhì)量比為1∶2，輔料占固料30%，外添加劑占固料質(zhì)量6%，養(yǎng)護(hù)期為28d。

3.2 滿足要求的試驗(yàn)配比方案分析

根據(jù)工程實(shí)際對(duì)充填材料特性的要求，綜合分析可知:只有2號(hào)、4號(hào)、8號(hào)、9號(hào)試驗(yàn)配比滿足要求，將其單獨(dú)列入表4。其中2號(hào)和4號(hào)配比能滿足自流輸送工藝對(duì)充填材料的要求，8號(hào)和9號(hào)配比能滿足泵壓輸送工藝對(duì)充填材料的要求。

表4 滿足要求的試驗(yàn)配比方案

4 結(jié)論

(1)根據(jù)充填工藝對(duì)充填材料的要求，充填料漿應(yīng)具備以下特征:滿足自流輸送工藝的料漿流動(dòng)度應(yīng)不超過(guò)14s，滿足泵壓輸送的料漿坍落度應(yīng)不小于200mm;料漿的結(jié)石率不低于90%。一般條件下料漿的初凝時(shí)間應(yīng)大于2.5h，終凝時(shí)間在1～2d之內(nèi)。料漿結(jié)石體的抗壓強(qiáng)度取決于地質(zhì)條件和工作面充填開(kāi)采工藝;一般要求實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下8～10h單軸抗壓強(qiáng)度不小于0.1MPa，28d單軸抗壓強(qiáng)度不小于1.5MPa。

(2)新型充填料漿試驗(yàn)方案為五因素四水平，選用正交表L16(45)安排試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明單個(gè)配比的優(yōu)選條件為:料漿濃度為60%;黃土粉煤灰質(zhì)量比為1∶2;輔料占固料30%;外添加劑占固料質(zhì)量6%;養(yǎng)護(hù)期為28d。

(3)通過(guò)正交試驗(yàn)，得到可作為新型充填材料的黃土粉煤灰充填料漿配比范圍為:料漿濃度為60%～65%;黃土粉煤灰質(zhì)量比1∶1.5～1∶3;輔料占固料質(zhì)量30%～33%，外添加劑占固料質(zhì)量5%～7%，養(yǎng)護(hù)期為28d。

(4)試樣表明:用黃土作為原材料和粉煤灰共同作為煤礦充填材料是可行的，是降低充填材料成本的一個(gè)重要途徑。

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