充填開采下材料配比方案的選擇及工藝研究

史銳利

(山西晉城煤業(yè)集團(tuán)成莊煤礦，山西 晉城 048000)

引 言

隨著采煤工藝的繼續(xù)發(fā)展，采空區(qū)充填技術(shù)得到了很好的發(fā)展空間，在全國各大煤企都進(jìn)行了積極推廣[1]?；诖?，本文研究充填材料的選擇和配比方案，并且分析充填材料的力學(xué)特性，從而為充填技術(shù)的發(fā)展提供一定依據(jù)。

1 材料選擇

充填材料的選擇[2]一般情況下需要遵循下列3條原則。

1) 就近選材。

2) 選擇具有合理粒徑比的骨料，這樣可保證充填材料混合凝固后內(nèi)部巖體裂隙少，強(qiáng)度高，從而可減少充填體受載時(shí)的壓縮率(壓縮率可充分反應(yīng)材料性能)。

3) 選擇透水性能好的材料進(jìn)行配制，這樣可保證材料容易脫水。

本文研究礦井充填體骨料選擇為煤矸石，選擇膠結(jié)劑為硅酸鹽水泥和粉煤灰，選擇添加劑為減水添加劑。所以充填材料就以煤矸石為主，粉煤灰和水泥為輔。

2 材料特性

在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行充填體合理的配比方案研究前，采用顎式破碎機(jī)把現(xiàn)場取回的粒徑大的矸石進(jìn)行破碎，盡量使矸石粒徑保持在30 mm以下，然后測定矸石中是否含有害成分。

通過上述所示的方法進(jìn)行力學(xué)性能測試，得到煤矸石的密度為2.43 g/cm3，滲透系數(shù)為0.035 9 cm/s，水上休止角為34.7°，水下休止角為28.9°；粉煤灰的密度為2.68 g/cm3，滲透系數(shù)為0.012 4 cm/s，水上休止角為41°，水下休止角為25.3°。煤矸石的粒徑統(tǒng)計(jì)結(jié)果見圖1所示，粉煤灰的粒徑統(tǒng)計(jì)結(jié)果見圖2所示。

圖1 煤矸石粒徑統(tǒng)計(jì)結(jié)果圖

圖2 粉煤灰粒徑統(tǒng)計(jì)結(jié)果圖

在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行充填水泥性質(zhì)的測試試驗(yàn)。硅酸鹽水泥密度一般在3 t/m3～3.2 t/m3，平均密度為3.1 t/m3，容重一般在1 t/m3～1.6 t/m3，平均容重為1.4 t/m3。水泥的物理性質(zhì)通常用比表面積參數(shù)來表示，本次實(shí)驗(yàn)所選水泥細(xì)度在3 000 cm2/g～3 400 cm2/g，平均細(xì)度為3 100 cm2/g。

硅酸鹽水泥中硅酸鈣的含量達(dá)到了70%～80%，所以該成分決定了水泥強(qiáng)度，此外其他成分中的石膏和鋁酸鈣也起到輔助的作用。充填體的3個(gè)主要材料(矸石、水泥、粉煤灰)選擇好后，試驗(yàn)還需要高效減水劑和水，高效減水劑成分為磺酸鹽甲醛縮合物，其含量為粉煤灰和水泥重量的1%；水的含量百分比為75%、80%。

在進(jìn)行充填體的材料測試中，主要缺陷是煤矸石骨料的粒徑較大，破碎煤矸石耗資較多，而且會降低充填體運(yùn)輸管路的壽命，但充填體材料之一的粉煤灰可以解決煤矸石較大粒徑的問題，故充填材料的選擇和配制是完全可行的。

3 材料配比選擇

3.1 配比原則

在進(jìn)行材料配比時(shí)選擇的技術(shù)參數(shù)[3]如以下三點(diǎn)所示。

1) 為了延長運(yùn)輸管路壽命以及保持充填體強(qiáng)度，充填材料中的粒徑最大值與管路直徑之比不應(yīng)超過1∶5；

2) 充填體在混合后，至少保持4 h還可以通過輸送管路運(yùn)送至采空區(qū)，塌落度應(yīng)至少為150 mm；除此之外，粘稠度較高的膏體在管路總停留時(shí)間較長，應(yīng)讓其分層厚度最大為2 cm。

3) 對強(qiáng)度的要求：充填體在混合后較長時(shí)間保持較高的強(qiáng)度。

3.2 配比方案設(shè)計(jì)

為了充分了解不同因素對充填體強(qiáng)度的影響效果，進(jìn)行了多種配比方案。每組都使用標(biāo)準(zhǔn)模具澆筑成多個(gè)試件，達(dá)到預(yù)定時(shí)間后進(jìn)行強(qiáng)度測量。具體方案是設(shè)計(jì)如下。

1) 配料濃度為75%和80%；

2) 水泥、粉煤灰和煤矸石的質(zhì)量比為1∶6∶20、1∶5∶20、1∶5∶16、1∶3∶20、1∶4∶16以及1∶3∶16；

3) 減水劑添加量為1%；

4) 試件養(yǎng)護(hù)時(shí)間為28 d。

3.3 材料配比結(jié)果分析

表1為充填體在不同配比方案下的抗壓強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)結(jié)果。從表中可以看出以下幾點(diǎn)。

1) 漿體質(zhì)量濃度較大時(shí)，充填體凝固后的抗壓強(qiáng)度增大；對比質(zhì)量濃度分別為75%和80%的充填體可以發(fā)現(xiàn)，在同樣的養(yǎng)護(hù)時(shí)間下，質(zhì)量濃度大的充填體強(qiáng)度有較大提升，究其原因?yàn)橘|(zhì)量濃度較低的混合漿液在凝固過程中分泌較多的水，從而影響了凝固后充填體的強(qiáng)度大小。

2) 粉煤灰不僅為充填體原料中必不可少的成分，而且在充填體混合過程中提高了充填體的流動

表1 不同配比方案下充填體強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)表

能性，增大了充填體凝固后的強(qiáng)度。究其原因?yàn)槊夯业拿芏缺让喉肥?，故粉煤灰的孔隙度相對煤矸石要小，在受載狀態(tài)下煤矸石的壓縮率要大一些，煤矸石與粉煤灰充分混合后，充填體孔隙中充滿粉煤灰，則會有效抑制壓縮率，進(jìn)而優(yōu)化充填體控制采場穩(wěn)定的效果。

3) 充填體與巖石某些性質(zhì)相似，即抗拉強(qiáng)度要比抗壓強(qiáng)度小得多，故充填體受載時(shí)，應(yīng)盡量避免充填體有發(fā)生拉應(yīng)力作用的區(qū)域。

當(dāng)水泥、粉煤灰和矸石的質(zhì)量比為1∶5∶16、質(zhì)量濃度在75%～80%之間時(shí)，一方面充填體的抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度較高，另一方面，材料陳本較低，兩方面的因素使得此比例為較為適應(yīng)的配比。

3.4 材料配比為1∶5∶16下的料漿流動性分析

充填體在輸送管路中的流動性應(yīng)該滿足以下要求[3]。

1) 混合漿液應(yīng)該為飽和膠結(jié)料漿，而且得保證穩(wěn)定性較高；

2) 泵壓漿液時(shí)要避免離析；

3) 料漿的質(zhì)量需保持穩(wěn)定；

4) 管路輸送漿液過程中管路壁與漿液的摩擦阻力應(yīng)該盡量小些；

5) 混合漿液中一定要含有細(xì)顆粒。

反應(yīng)充填體在管路中的流動性指標(biāo)包括塌落度(cm)、塌落擴(kuò)散度(cm)和稠度(cm)，當(dāng)這3個(gè)指標(biāo)的波動性較小時(shí)，證明充填料漿的流動性較好。

通過試驗(yàn)測量可得：當(dāng)材料配比為1∶5∶16、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為75%時(shí)，充填料漿塌落度為59.4 cm，塔羅擴(kuò)散度為28.1 cm，稠度為12.3 cm；當(dāng)材料配比為1∶5∶16、質(zhì)量濃度為80%時(shí)，充填料漿塌落度為58.7 cm，塔羅擴(kuò)散度為27.5 cm，稠度為12.7 cm。

對所得指標(biāo)結(jié)果盡心分析，充填料漿的塌落度和擴(kuò)散度隨著質(zhì)量濃度的升高而減小，而稠度卻略有增大。充填料漿的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為75%和80%時(shí)，塌落度都在16 cm以上，故充填體為流動性高的混凝土。

4 充填系統(tǒng)分析

4.1 工藝流程

骨料運(yùn)輸流程：工作面開挖產(chǎn)生-平帶運(yùn)輸至礦車-裝載到矸石倉-排矸皮帶運(yùn)輸至破碎機(jī)處。

混合后充填漿液流程：按制定比例將骨料和原料充分混合-給料皮帶運(yùn)輸值攪拌機(jī)-采用輸送泵經(jīng)輸送管路運(yùn)輸至工作面。

4.2 充填注意事項(xiàng)

1) 充填管路要求長度在0.8 m以下，高度在1 m以上。整個(gè)充填施工時(shí)間在較短時(shí)間內(nèi)。

2) 充填漿液在充分混合均勻后的凝固時(shí)間段內(nèi)體積會縮小，從而對充填效果的質(zhì)量和充填體對覆巖的支撐效果產(chǎn)生大的影響，所以充填法最重要的工藝是保證良好的接頂效果。

3) 在實(shí)際充填工程中，還要確定充填料漿的流動性能及可泵送時(shí)間。另外，充填料漿的泌水率也對地表沉陷的控制效果有一定影響。

5 結(jié)論

煤矸石骨料的粒徑較大，破碎煤矸石耗資較多，而且會降低充填體運(yùn)輸管路的壽命，但充填體材料之一的粉煤灰可以解決煤矸石較大粒徑的問題，故充填材料的選擇和配制是完全可行的。當(dāng)水泥、粉煤灰和矸石的質(zhì)量比為1∶5∶16、質(zhì)量分?jǐn)?shù)在75%～80%時(shí)，一方面充填體的抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度較高，另一方面，材料陳本較低，兩方面的因素使得此比例為較為適應(yīng)的配比。