古城煤礦膏體充填材料影響因素分析及配比優(yōu)化

＊王保勤

（潞安化工集團左權(quán)五里堠煤業(yè)公司 山西 032600）

近些年，我國煤炭行業(yè)雖然有了顯著的發(fā)展，但是清潔發(fā)展仍是煤炭行業(yè)亟待解決的問題?！睹禾抗I(yè)發(fā)展“十三五”規(guī)劃》中要求改變傳統(tǒng)的開采模式，發(fā)展綠色開采技術(shù)，最大程度的減輕煤炭開采過程中帶來的生態(tài)問題，以達到和諧開采的目的[1]。充填開采技術(shù)在煤礦中的應(yīng)用是清潔發(fā)展模式的重要途徑之一，是解決“三下”壓煤回采和合理利用廢棄物的主要發(fā)展方向。充填開采技術(shù)是將煤矸石等固體廢物作為充填材料充入采空區(qū)，可以減少煤矸石等廢棄物堆積引起的土壤、大氣和水環(huán)境污染等問題[2-3]，并且能有效地控制地表沉降引起建筑物的安全問題。研究矸石充填對古城煤礦安全、綠色、高效開采具有重要意義。

古城煤礦采用充填采礦技術(shù)對“三下”壓煤進行開采，雖然充填開采費用相對較高，但“三下開采”理論已經(jīng)有了很大的發(fā)展。本文以矸石膏體充填材料正交試驗數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過極差和方差分析，并根據(jù)充填體強度和成本要求，獲得了適合古城煤礦的矸石膏體充填最優(yōu)配比。

1.充填體強度理論設(shè)計

不同采空區(qū)充填所需的膠結(jié)充填體強度不同，通常根據(jù)充填體在采空區(qū)的力學作用機理來設(shè)計充填體強度，采用經(jīng)驗公式法、托馬斯模型、盧平修正模型等方法來確定充填體強度。這些方法在金屬礦山充填體強度設(shè)計中得到了不同程度的應(yīng)用，但對于煤礦矸石膏體充填而言，經(jīng)驗公式得出的強度總體偏高，造成不必要的成本浪費；利用托馬斯模型和盧平修正模型得出的充填體強度又偏小，安全性得不到保障。由于上述強度計算方法不能完全反映出充填體特性，因此需要進一步研究，完善充填體強度理論。

(1)充填體早期的強度

充填體早期的強度從兩個方面對比分析：一是回填土在承載前的自穩(wěn)；二是頂板的及時支護支撐作用。中國礦業(yè)大學瞿群迪總結(jié)分析了充填體自穩(wěn)性的研究方法，基于托馬斯模型，提出了適合煤礦充填開采的充填體自穩(wěn)強度體自穩(wěn)定強度σ計算公式：

式中：σ為充填體強度，MPa；γ為充填體容重，MN/m3；h為充填體高度，m。

但是充分的礦山實踐中表明，上述公式適用于頂板直接厚度小于2m的情況，當頂板直接厚度大于2m時，計算結(jié)果有一定的局限性。趙才智認為實驗室回填試塊的強度與現(xiàn)場臨界立方體試塊的強度不同。如果實際采空區(qū)充填時，直接頂板在覆巖作用下會產(chǎn)生一定的變形。同時，回填體需要對直接頂板有一定的支護作用，防止其破壞坍塌。因此，在上述公式的基礎(chǔ)上，提出了一個修正公式：

式中：a為實驗室試塊與現(xiàn)場試件強度的比值，取1.2；b為安全系數(shù)，取1.5；γ為充填體容重，取0.025mN/m3；h為充填體高度，取6m。

計算得出古城煤礦充填體早期強度不得低于0.305MPa。

(2)后期強度

后期強度一般指的是充填體28天后的強度，能支撐直接頂或老頂作用在原先支架上的載荷[13]，充填后采空區(qū)上方主要變形表現(xiàn)為產(chǎn)生裂隙帶和彎曲下沉帶，充填體的后期強度應(yīng)大于上覆巖層的重量，后期強度對控制頂板下沉具有重要影響。

直接頂載荷q1為：

式中，h為直接頂厚度，取10m；γ為直接頂容重，取25kN/m3；

直接頂載荷或老頂通過直接頂作用于支架的載荷p為：

式中，q2為老頂載荷；M為采高，取6m；K為碎脹系數(shù)，取1.25；γ為直接頂容重，取25kN/m3。

充填體要能支撐直接頂及老頂周期來壓所形成的載荷，還應(yīng)考慮一定的安全系數(shù)，即充填體的后期強度：

式中：k為安全系數(shù)，取1.1。

計算得出σh為2.112MPa，即古城煤礦充填體后期強度不得低于2.112MPa。

2.試驗材料及方法

（1）充填骨料。煤矸石樣品由山西潞安集團從古城煤礦矸石山采集，未脫水干燥處理，為了真實反映矸石的級配特征，對實驗用的矸石進行人工破碎和二次破碎后，直接進行篩分。用篩分法進行煤矸石粒徑組成測試，結(jié)果見表1。

表1 二次破碎后古城煤礦煤矸石粒度分級表

由表1結(jié)果可知，二次破碎后的矸石其粒徑＜5mm，占比只有25.4%，其級配缺陷明顯，粒徑級配變化較大，若直接用于充填，則對膏體的流動性、強度及孔隙率影響較大，因此需要對煤矸石進行篩分加工以得到滿足要求的矸石級配。綜合混凝土粗骨料的級配經(jīng)驗以及大量的礦山膏體充填實踐，其中粒徑＜5mm煤矸石所占40%左右時，堆積密度最大，級配理想，流動能力最優(yōu)，即砂率為40%。因此，破碎后的最大矸石粒徑應(yīng)控制為25mm以下，并通過篩分將矸石砂率控制到40%左右。

（2）試驗方案。充填體強度受矸石級配、細料量（粉煤灰含量）、膠結(jié)料、質(zhì)量濃度等多種因素的影響，結(jié)合礦山工程實際，對料漿質(zhì)量濃度、灰矸比和摻入粉煤灰的量三個主要因素進行研究，將凝結(jié)時間、早起強度和后期強度作為考察指標，試驗方案設(shè)計養(yǎng)護齡期分別為：8h、3d、7d、28d。根據(jù)以往的配比經(jīng)驗，煤矸石與膠結(jié)材料質(zhì)量之比的范圍取4～10，水泥與粉煤灰之比范圍取1:1～1:4，質(zhì)量濃度的范圍取78%～84%，每個因素取4個水平值。采用正交實驗法進行設(shè)計，相應(yīng)的因素及水平取值見表2，具體配比試驗方案見表2。

表2 膏體配比設(shè)計方案

按照試驗方案將各物料依次放入攪拌機內(nèi)制備料漿，料漿制備好后，裝入70.7mm×70.7mm×70.7mm的標準三聯(lián)試模，料漿裝入試模之前，在內(nèi)部抹涂滿潤滑油，便于后期脫模。在裝滿料漿的試模上做標記或加字條表明試件編號，放入標準恒溫恒濕YH-40B型養(yǎng)護箱，養(yǎng)護溫度為20℃，濕度為90%。待試件養(yǎng)護到相應(yīng)齡期后，對充填試塊進行單軸抗壓試驗以獲得其抗壓強度。

3.試驗結(jié)果及分析

（1）試驗結(jié)果?；谡辉囼灧桨笇_到養(yǎng)護期齡為8h、3d、7d、28d的試件進行單軸抗壓強度檢測，每個期齡共3個試件，取其平均值作為最終強度數(shù)據(jù)，試驗結(jié)果見表3。

表3 不同齡期試件強度實驗結(jié)果

繪制因素與指標趨勢圖，以各因素為橫坐標，以指標平均值作為縱坐標，結(jié)果如圖1所示。由單軸抗壓強度與各因素水平趨勢圖可以看出，因素A曲線在各個齡期的變化均較大，即水泥含量對充填體早期強度和后期強度的影響較大；因素B曲線在8h和3d的變化趨勢不大，而在7d和28d的變化趨勢較大，即粉煤灰的摻量對早期強度影響較小，而對后期強度的較大；因素C曲線在各個齡期變化趨勢都不大，后期的變化更是趨于平穩(wěn)，因此質(zhì)量濃度對充填體強度總體影響較小。

圖1 單軸抗壓強度因素水平趨勢

古城煤礦充填要求充填體早期強度不得低于0.305MPa，后期強度不得低于2.112MPa。抗壓強度實驗表明：P01、P02早期強度達不到標準；P03、P04、P07、P08由于粉煤灰摻量和質(zhì)量濃度均較大，減弱了水泥的早期水化反應(yīng)，導(dǎo)致脫模時試件呈干硬松散狀態(tài)，因此認為早期強度不達標；其余組的實驗充填體強度均達標。從經(jīng)濟成本的角度，在達到充填體強度要求的前提下，充填所需水泥量越少越好，其次粉煤灰摻量越低越好，最后考慮質(zhì)量濃度。經(jīng)過篩選，P09、P14充填成本比較低，因P14充填體凝結(jié)時間較長，影響工作效率，所以最終選擇P09作為古城煤礦最終充填工藝參數(shù)，即灰矸比為1:8，水泥:粉煤灰為1:1，質(zhì)量濃度為82%。

（2）極差、方差分析。極差R為各因素水平效應(yīng)值中最大與最小值之差，它是衡量實驗數(shù)據(jù)波動大小的重要指標，極差大的因素，其變化程度對實驗結(jié)果影響就大，反之則小；各因素水平效應(yīng)值Ki為各因素在i水平狀態(tài)下實驗指標之和，結(jié)果見表4。

表4 不同齡期試件強度極差分析結(jié)果

從表4的數(shù)據(jù)結(jié)果中可以得到以下結(jié)論：在早期強度指標中，水泥添加量的影響最為顯著，而粉煤灰摻量和質(zhì)量濃度影響較小。隨著物料中水泥添加量的增加，膏體早期強度顯著增加，因為膠結(jié)料對強度的影響在早期相對顯著，同時隨著膠結(jié)料的增加呈增長趨勢；在后期強度指標中，水泥添加量的影響依舊最為顯著，而且粉煤灰的影響也很明顯，粉煤灰摻量越多，后期強度越大；質(zhì)量濃度對早期和后期強度均有影響，并且強度隨著質(zhì)量濃度的增加而增加，但總體影響相對較小。

4.結(jié)論

（1）通過經(jīng)驗公式和修正模型，計算得出古城煤礦充填體所需的早期強度為0.305MPa，后期強度為2.112MPa。（2）采用正交試驗方法，通過分析對比，在滿足古城煤礦充填體強度要求的情況下，盡量減少充填成本，最終確定水泥、煤矸石和粉煤灰的配比為1:8:1，膏體質(zhì)量濃度為82%。（3）通過對試件單軸抗壓強度實驗的結(jié)果進行極差分析和方差分析，可以得出：水泥添加量對早期強度和后期強度影響均為顯著；粉煤灰摻量主要影響后期強度，而對早期強度影響不明顯；膏體質(zhì)量濃度對充填體強度有一定的影響，但比前兩者影響都小。