礦用充填材料粉煤灰活性激發(fā)的研究

＊史筆鋒

（汾西礦業(yè)集團賀西煤礦洗煤廠 山西 033300）

膠結(jié)充填材料研究存在著很多問題，粉煤灰是主要的充填膠結(jié)料，因此，粉煤灰的活化對于充填技術(shù)而言至關(guān)重要，現(xiàn)階段有關(guān)粉煤灰活性激發(fā)及其在充填材料配比中的性能研究較少，若能找出能使粉煤灰活性最有效得到激發(fā)的活化劑和激發(fā)劑的比例，使粉煤灰膠結(jié)性能達到最合適強度，既有助于充填開采技術(shù)的推廣，還可以降低成本，使企業(yè)獲得更好的效益。水泥作為主要的輔助充填膠結(jié)料，其費用占整個充填成本較大比重。通過實驗室研究增加其他膠結(jié)材料（粉煤灰）等工業(yè)廢棄物的比例，從而降低充填成本。

膠結(jié)充填開采通過控制上覆巖層移動，減小地面沉陷，避免含水層破壞，達到對“三下”煤層的安全開采的技術(shù)要求，為此，監(jiān)測充填體、上覆巖層、地面建筑形變等相關(guān)技術(shù)的研究，對于了解、改善充填工藝，確保充填效果顯得尤為重要。

1.粉煤灰的特性及礦物組成

粉煤灰有十分復雜的礦物組成，其波動范圍也比較大。從物相上可以分為兩類，即晶體礦物與非晶體礦物。礦物組成中的晶體礦物通常主要有石英、無水石膏、生石灰、氧化鎂及莫來石等，其中的非晶體礦物主要是指玻璃體，其含量占一半以上，此外還有一部分次生褐鐵礦或者無定形碳。粉煤灰的主要礦物組成如表1所示。

表1 粉煤灰中主要礦物成分

試驗分別選用兩個礦的粉煤灰FA1與粉煤灰FA2，F(xiàn)A1灰為II級低鈣粉煤灰，外觀與水泥相似，風干后顏色為中度灰色，細度為35～65μm，顯微鏡下觀察多為不規(guī)則多孔玻璃碎屑體，松散密度為0.69g/cm3；FA2灰雖然同屬于II級低鈣粉煤灰，顏色卻比FA1灰淺一些，松散密度比FA1灰領(lǐng)略大一些，值為0.77g/cm3。

粉煤灰的主要化學成分為SiO2、Al2O3、MgO、Fe2O3、CaO、K2O等。其中SiO2、TiO2來自黏土與巖頁；Fe2O3、FeO來自黃鐵礦；CaO來自相應(yīng)的碳酸鹽和硫酸鹽類礦物。由圖1可以得到FA1粉煤灰的含鈣量（CaO）、燒失量（L.O.I）都不如FA2粉煤灰的值高。其他的組分MgO、K2O、Na2O兩種粉煤灰的含量相差不多。

圖1 粉煤灰的主要化學成份含量

根據(jù)前面對兩種粉煤灰的分析，雖然粉煤灰（FA1）含鈣量較低，燒失量（L.O.I）也跟FA2粉煤灰相差50%以上，但是運輸成本較低。為了最大幅度地降低充填成本，實驗選用粉煤灰（FA1）。FA1粉煤灰外觀呈現(xiàn)灰褐色，使用45μm方孔篩得到的通過率為26.25%，由統(tǒng)計出的粉煤灰粒徑分布可以得到，粒徑在0.075mm～0.15mm的占比在80%以上，粉煤灰FA1的主要化學組成，如表2。

表2 粉煤灰的主要化學成份比例及物理性質(zhì)

2.加入激發(fā)劑對材料性質(zhì)的影響

常用的活化方法有水溶劑法與有機溶劑法，根據(jù)實驗材料性質(zhì)我們采用水溶劑法。常溫下將一定量的活化劑加入100g的粉煤灰中，劇烈攪拌后靜置，觀察粉煤灰沉浮情況，下沉者是親水的，上浮者是疏水的。用水浮實驗考察粉煤灰的疏水性，結(jié)果表明未活化的粉煤灰是親水的，加入水中立即下沉。粉煤灰漿液加入活化劑之后，活化劑結(jié)合在粉煤灰表面上，粉煤灰表面完全變?yōu)槭杷裕瑥亩鰪姺勖夯业膽腋∧芰盎钚浴?/p>

實驗采用的激發(fā)劑為硅酸鈉和元明粉。無激發(fā)劑的情況下水與粉煤灰攪拌后放置時間長短對組分配方早期抗壓強度影響均不大，所以將復摻時無激發(fā)劑的配方（H11、H31）對比標準，選單、復摻時3d內(nèi)最高的抗壓強度進行總結(jié)。

如圖2所示，活化時間的長短對各齡期的強度沒有顯著的影響，單摻硅酸鈉時，其最佳摻量是0.3%（表中的百分數(shù)均是激發(fā)劑與粉煤灰的質(zhì)量百分比），陳放4h與8h強度區(qū)別不大，與未陳放相比，8h、3d抗壓強度提高不明顯，24h強度提高最明顯，且陳放時間越長初凝時間越短；元明粉單摻0.5%為最佳摻量，陳放4h與8h強度仍區(qū)別不大，但與未陳放比3d內(nèi)抗壓強度均有明顯提高，但初凝時間隨陳放時間逐漸縮短，最短為112min，仍滿足現(xiàn)場泵送要求。由此可知，單摻一種激活劑的條件下，硅酸鈉的單摻效果不如元明粉的激發(fā)效果。

圖2 不摻激發(fā)劑時活化時間長短對各齡期強度的影響

復摻0.1%硅酸鈉和0.5%元明粉比單摻硅酸鈉或元明粉在各齡期強度都有一定幅度的提高，尤其是經(jīng)過活化一段時間之后，表現(xiàn)的尤為明顯。當復摻0.1%硅酸鈉和0.5%元明粉時，陳放8h與0h、4h相比，強度8h強度增大不多，但與未放置相比，24h和72h強度都有了很大的提高，初凝時間隨放置活化時間的增加而縮短，但初凝時間最短為106min仍符合現(xiàn)場材料泵送的要求。如圖3所示。

圖3 復摻激發(fā)劑時活化時間長短對各齡期強度的影響

綜上所述，復摻0.1%硅酸鈉和0.5%元明粉為最佳摻量，這個比例能夠最大限度的激發(fā)活化劑的效果，使粉煤灰的早期活性得到激發(fā)，進而使3d內(nèi)材料的早期強度大幅度地提高，同時初凝時間一般在108min左右，能夠滿足現(xiàn)場工作人員操作和泵送漿液時間的要求。由以上分析摻激發(fā)劑的活化劑得到的最優(yōu)配方是：

粉煤灰:水:水泥:石灰:石膏:早強劑:J90:硅酸鈉:元明粉=4000:4490:500:125:75:15:10:4:20。

3.活化溫度對材料性質(zhì)的影響

探究不同活化溫度對試塊性質(zhì)的影響試驗步驟如下：

①將活化劑、自來水、粉煤灰按照配方中的比例用電動攪拌器攪拌8min后倒入10個塑料盆，然后將其放入水溫為4℃、6℃、8℃、10℃、12℃、14℃、16℃、18℃、20℃、22℃的水浴養(yǎng)護箱中進行陳放8h。

②到達規(guī)定陳放時間后將粉煤灰漿從養(yǎng)護箱取出，將稱好的干料全部混入粉煤灰漿中，用電動攪拌器充分攪拌10min后，倒入10套7.07cm×7.07cm×7.07cm三聯(lián)試模，并用刮刀將上面抹平后，在上面鋪一層塑料紙（其目的是防止水份蒸發(fā)），將10套試模放入標準養(yǎng)護箱中進行養(yǎng)護。

③養(yǎng)護箱的條件完全模擬井下采空區(qū)的環(huán)境，溫度設(shè)為17℃，濕度設(shè)為78%，到達養(yǎng)護時間后將試模從養(yǎng)護箱取出，將試模底部的木塞拔出后，用氣泵、脫模槍進行脫模，然后在YAW-300B萬能壓力試驗機上進行單軸抗壓實驗，將實驗參數(shù)和實驗結(jié)果寫在實驗記錄本上。

為了研究活化溫度對最終強度的影響，活化時間定為8h，先取以前的經(jīng)驗配方作為基本配方，按基本配方制的漿料倒入9套試模在標準養(yǎng)護箱中的養(yǎng)護90d，剩下漿料測凝結(jié)時間，總共做12組實驗，選取其中9組實驗數(shù)據(jù)進行分析。

實驗結(jié)果分析得到以下規(guī)律：活化溫度越低則各齡期的試塊單軸抗壓強度越小，初凝時間也越長，試塊的初凝時間越短則其前期單軸抗壓強度越大，但在活化溫度在16℃以上后，漿液的凝結(jié)時間開始有所減少，但是時間縮短的趨勢不十分明顯，如圖4。

圖4 不同活化溫度對強度的影響

4.結(jié)論

文中在前人經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，通過正交重復實驗摸索出適用于粉煤灰的活性激發(fā)劑的最佳配比、活化溫度及活化時間對膠結(jié)材料性質(zhì)的影響規(guī)律，找出了粉煤灰活化的最佳溫度，確定了活化劑及其他添加劑的最佳配比，為合理確定工作面充填材料提供依據(jù)。