煤礦采空區(qū)膏體充填材料制備試驗(yàn)研究

李緒萍 林慶博 張金山

(內(nèi)蒙古科技大學(xué)礦業(yè)研究院，內(nèi)蒙古自治區(qū)包頭市，014010)

隨著煤炭資源逐漸減少，“三下”采煤?jiǎn)栴}日益嚴(yán)峻[1]。一般“三下”壓煤的采煤方法成本高、效率低、浪費(fèi)嚴(yán)重[2]，且不能有效控制地表沉陷[3]。目前，國(guó)內(nèi)大多數(shù)礦井均采用充填開采法解決相應(yīng)問(wèn)題[4-5]。

內(nèi)蒙古烏海某煤礦6號(hào)煤層80%屬于“三下”煤炭資源，充填區(qū)域位于工業(yè)廣場(chǎng)東側(cè)壓煤區(qū)，東西長(zhǎng)約270 m，南北寬約236 m，平均厚度為10.4 m，煤層產(chǎn)狀平緩，埋深平均約185 m。煤層基本頂為中粒砂巖，厚度為22.4 m，巖性特性為灰白色，質(zhì)地堅(jiān)硬，具有水平波紋狀層理；直接頂為泥巖，厚度為2.6 m，巖性特性為上部灰色、細(xì)膩， 中部淺灰色，可見植物化石；直接底為粉砂質(zhì)泥巖，厚度為1.2 m，巖性特性為深灰色至灰黑色，賦存均勻，可見植物化石；基本底為粗砂巖，厚度為18.8 m，巖性特性為灰白色粗砂巖，主要成分為石英。筆者以粉煤灰為細(xì)料、煤矸石為骨料、含量為7%的水泥作為膠結(jié)料、電石渣為外加劑，通過(guò)大量試驗(yàn)制成了膏體充填材料，并進(jìn)行了試樣制備和性能測(cè)試，表明此種材料可以作為采空區(qū)充填材料使用，可以滿足該煤礦對(duì)充填體28 d最低抗壓強(qiáng)度5.3 MPa的要求。

1 充填材料原料的理化性質(zhì)分析

1.1 粉煤灰的理化性質(zhì)分析

試驗(yàn)用粉煤灰取自內(nèi)蒙古烏海神華火力發(fā)電廠，氧化鈣含量較高，屬于C類粉煤灰，含水率為1.93%，燒失量為1.685%。利用XRD分析了粉煤灰的礦物成分，測(cè)試條件為Cu 靶，Ka輻射，掃描角度為10°～60°，掃描速度為0.02°/s，電壓為10 kV，電流為100 mA。粉煤灰XRD衍射圖譜如圖1所示。

圖1 粉煤灰XRD衍射圖譜

由圖1以看出，該種粉煤灰的主要成分為CaSO4和SiO2。

1.2 煤矸石的理化性質(zhì)分析

試驗(yàn)所用煤矸石的粒徑為0～10 mm的不規(guī)則塊狀體，采自內(nèi)蒙古烏海某煤礦，其含水率為0.92%，燒失量為12.961%。煤矸石的XRD衍射圖譜如圖2所示。

由圖2可以看出，該煤矸石主要由高嶺土和SiO2構(gòu)成。

1.3 外加劑的理化性質(zhì)分析

試驗(yàn)選取的外加劑為電石渣，其中Ca(OH)2含量較高，所以能與粉煤灰結(jié)合發(fā)生火山灰反應(yīng)，從而可以顯著提高充膏體的強(qiáng)度。試驗(yàn)選用外加劑的含水率為6.47%，利用XRD分析了其礦物組成，外加劑的XRD衍射圖譜如圖3所示。

圖2 煤矸石的XRD衍射圖譜

圖3 外加劑的XRD衍射圖譜

由圖3可以看出，外加劑主要由Ca(OH)2構(gòu)成。

2 膏體充填材料配比試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)選用材料為標(biāo)號(hào)325的普通硅酸鹽水泥、粉煤灰、煤矸石、外加劑，在室溫為24℃、相對(duì)濕度為40%的條件下采用當(dāng)?shù)刈詠?lái)水進(jìn)行制漿，將攪拌好的充填漿液倒入尺寸為70 mm×70 mm×70 mm的三聯(lián)試模，根據(jù)該煤礦實(shí)驗(yàn)室提供的配方，制成標(biāo)準(zhǔn)試塊若干。1 d后進(jìn)行脫模，將試塊放在室溫為24 ℃的條件下覆膜養(yǎng)護(hù)，28 d后采用壓力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行單軸抗壓試驗(yàn)，每組配方均有3個(gè)平行樣本，測(cè)試結(jié)果取平均值。

由于該煤礦對(duì)充填漿料的質(zhì)量濃度有要求，因此為了研究不同組分配方對(duì)充填材料性能的影響，得出最佳材料配比，保持充填漿料質(zhì)量濃度為67%的條件下分別改變粉煤灰、水泥、外加劑摻量后對(duì)充填體性能進(jìn)行測(cè)試。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.2.1 粉煤灰摻量對(duì)膏體充填體性能的影響

試驗(yàn)保持煤矸石、水泥、外加劑質(zhì)量比為14∶1∶1不變，逐漸減少粉煤灰含量，測(cè)試不同粉煤灰含量對(duì)膏體充填體性能的影響，共計(jì)9組配方，現(xiàn)選取有代表性的5組配方進(jìn)行對(duì)比，對(duì)A組試驗(yàn)材料配比及28 d單軸抗壓強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試，粉煤灰摻量對(duì)膏體充填體性能的影響見表1。

表1 粉煤灰摻量對(duì)膏體充填體性能的影響

由表1可以看出，當(dāng)煤矸石、水泥和外加劑含量不變且漿料質(zhì)量濃度為67%時(shí)，28 d單軸抗壓強(qiáng)度隨著粉煤灰含量的減少而先增大后減小，可以看出A3組配方的抗壓強(qiáng)度明顯較好。

2.2.2 水泥摻量對(duì)膏體充填體性能的影響

試驗(yàn)保持煤矸石、粉煤灰、外加劑質(zhì)量比為14∶10∶1 不變，改變水泥摻量，測(cè)試不同水泥含量對(duì)膏體充填體性能的影響，共計(jì)7組配方，現(xiàn)選取有代表性的5組配方進(jìn)行對(duì)比，對(duì)B組試驗(yàn)材料配比及28 d單軸抗壓強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試，水泥摻量對(duì)膏體充填體性能的影響見表2。

表2 水泥摻量對(duì)膏體充填體性能的影響

由表2可以看出，當(dāng)煤矸石、粉煤灰和外加劑含量不變且漿料質(zhì)量濃度為67%時(shí)，28 d單軸抗壓強(qiáng)度隨水泥含量的增大而增大，且增量顯著。由此看出普通硅酸鹽水泥在制備膏體充填材料上起到了至關(guān)重要的作用，但出于成本考慮，充填膏體中水泥的摻量適量即可，因此選取B2組配方的水泥摻量。

2.2.3 外加劑摻量對(duì)膏體充填體性能的影響

由于外加劑中Ca(OH)2含量較高，易與粉煤灰發(fā)生水化反應(yīng)，激活粉煤灰的活性。因此試驗(yàn)保持煤矸石、粉煤灰、水泥質(zhì)量比為14∶10∶2不變，改變外加劑摻量，測(cè)試不同外加劑含量對(duì)膏體充填體性能的影響，共計(jì)5組配方，對(duì)C組試驗(yàn)材料配比及28 d單軸抗壓強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試，外加劑摻量對(duì)膏體充填體性能的影響見表3。

表3 外加劑摻量對(duì)膏體充填體性能的影響

由表3可以看出，當(dāng)煤矸石、粉煤灰和水泥含量不變且漿料質(zhì)量濃度為67%時(shí)，28 d單軸抗壓強(qiáng)度隨著外加劑含量的增大而增大，其中C3組試驗(yàn)結(jié)果與C2組試驗(yàn)結(jié)果相比強(qiáng)度明顯增加；C4組試驗(yàn)結(jié)果與C3組試驗(yàn)結(jié)果相比，雖然增加了16.7%的外加劑摻量，但試驗(yàn)結(jié)果強(qiáng)度僅有小幅度提升，因此從經(jīng)濟(jì)角度考慮選取C3組配方。

2.3 充填材料最優(yōu)配比

通過(guò)大量配比試驗(yàn)綜合多方面技術(shù)因素得出結(jié)論，漿料質(zhì)量濃度為67%時(shí)，煤矸石、粉煤灰、水泥、外加劑質(zhì)量比為 14∶10∶2∶3，可作為充填材料的最優(yōu)配比。

2.4 充填材料成本計(jì)算

以烏海當(dāng)?shù)夭牧蟽r(jià)格作為參考，標(biāo)號(hào)325普通硅酸鹽水泥的價(jià)格為122元/t，外加劑的價(jià)格為100元/t，煤矸石與粉煤灰由烏海某煤礦與烏?；鹆Πl(fā)電廠免費(fèi)提供。按照試驗(yàn)所得最優(yōu)充填配比，經(jīng)計(jì)算可得充填材料成本為18.75元/t。烏海某煤礦充填所用各組分材料均來(lái)自當(dāng)?shù)孛旱V和火力發(fā)電廠，因此運(yùn)輸費(fèi)用較低，且水泥用量較少，總成本低廉?？蔀閲?guó)內(nèi)同類型煤礦提供借鑒。

3 粉煤灰活性激發(fā)與水化反應(yīng)機(jī)理

一般來(lái)說(shuō)，粉煤灰只具有潛在的火山灰活性，需要在激發(fā)的條件下激發(fā)粉煤灰活性，激發(fā)方法通常有“物理激發(fā)”“化學(xué)激發(fā)”“熱激發(fā)”[6]3種。本試驗(yàn)選擇效果最好的化學(xué)激發(fā)方法進(jìn)行試驗(yàn)。

試驗(yàn)中采用外加劑中的Ca(OH)2作為堿性激發(fā)劑，用以激發(fā)粉煤灰的活性，粉煤灰中的Si-O -Al、Si-O-Si和Al-O-Al在堿性條件下斷裂形成游離的不飽和活性鍵，使活性的SiO2和Al2O3溶出，形成不同的絡(luò)合物[7]；且本試驗(yàn)中選用的粉煤灰含有大量的CaSO4，會(huì)和Ca(OH)2與活性Al2O3發(fā)生反應(yīng)生成鈣礬石，產(chǎn)生膠凝作用，同時(shí)形成堿激發(fā)和硫酸鹽激發(fā)[8]。

粉煤灰與水泥中的可溶性成分在水中溶解，產(chǎn)生大量陰離子和陽(yáng)離子并發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成Ca(OH)2等水化產(chǎn)物，產(chǎn)生大量的熱量，形成良好的溫度條件。隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng)，該反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行并進(jìn)入粉煤灰內(nèi)部，形成更多的水化產(chǎn)物，使得孔隙度降低，充填材料結(jié)構(gòu)致密性增加，物理力學(xué)性能逐漸增強(qiáng)，直到粉煤灰中的活性物質(zhì)完全水化[9]。

4 結(jié)論

(1)以煤矸石、粉煤灰、水泥和外加劑為主要原料進(jìn)行膏體充填材料制備試驗(yàn)，使用粉煤灰、煤矸石等固體廢棄物作為礦井充填材料的原料，可以節(jié)約生產(chǎn)成本。

(2)內(nèi)蒙古烏海某煤礦采空區(qū)充填體28 d強(qiáng)度要求最低為5.3 MPa、充填漿料質(zhì)量濃度為67%。試驗(yàn)在滿足其漿料質(zhì)量濃度的條件下，制備了煤矸石、粉煤灰、水泥、外加劑質(zhì)量比為 14∶10∶2∶3 時(shí)所形成的充填體，其28 d強(qiáng)度達(dá)到5.71 MPa，達(dá)到該煤礦最低充填強(qiáng)度的需求。

(3)粉煤灰只有通過(guò)外加劑激發(fā)其活性才能更好的表現(xiàn)出其膠凝作用，外加劑中的氫氧化鈣含量較高，可以作為堿性外加劑，試驗(yàn)選用粉煤灰含有大量硫酸鈣，同時(shí)發(fā)生硫酸鹽激發(fā)，對(duì)于粉煤灰的火山灰反應(yīng)活性有較強(qiáng)的促進(jìn)作用。