古城煤礦充填料漿配比試驗(yàn)研究

王保勤

潞安化工集團(tuán)五里堠煤業(yè)公司 山西長治 032600

古城煤礦井工業(yè)資源量為 1 260.07 Mt，井田內(nèi)村鎮(zhèn)密集，影響礦井盤區(qū)布置與工作面正?；夭桑? 號(hào)煤層壓煤量達(dá) 665.07 Mt，除與其他必設(shè)煤柱的合并設(shè)置外，均考慮遷建，其搬遷后可解放資源達(dá)615.81 Mt。如果使用充填采礦技術(shù)將山下壓煤進(jìn)行開采，即可以延長礦井服務(wù)年限，又可以不必購買耕地和村莊搬遷而浪費(fèi)資金。使用泵輸送方式將充填材料輸送到工作面采空區(qū)，充填材料的選用、配比和運(yùn)輸方式直接決定了充填開采的經(jīng)濟(jì)性。對(duì)充填材料的選用和配比、流動(dòng)性能進(jìn)行研究，確定合理的配比對(duì)料漿輸送有著重要的意義。

1 輸送性能試驗(yàn)

用于古城煤礦填充的煤矸石，應(yīng)與粉煤灰、水泥按不同的配比組成充填料漿方可使用。使用前需進(jìn)行充填料漿輸送性能試驗(yàn)，包括沉降特性試驗(yàn)、泌水率測(cè)試、流動(dòng)度測(cè)試、坍落度測(cè)試 4 個(gè)部分[1]。

1.1 煤矸石樣品的采集與制備

煤矸石樣品從古城煤礦矸石山采集，未做脫水、干燥處理，為了真實(shí)反映矸石的級(jí)配特征，對(duì)試驗(yàn)用的矸石進(jìn)行二次破碎后，直接進(jìn)行篩分。二次破碎后的煤矸石如圖 1 所示，煤矸石粒度分級(jí)如表 1 所列。

圖1 二次破碎后的煤矸石Fig.1 Coal gangue after secondary crushing

表1 煤矸石粒度分級(jí)Tab.1 Classification of particle size of coal gangue

由表 1 可知，二次破碎后的矸石粒徑 -5 mm 占比為 25.4%。從粒度表分析，破碎后的矸石級(jí)配范圍較大，如用于充填，無法保證料漿流動(dòng)性、充填體強(qiáng)度和孔隙率。故需要再加工和篩分以便使煤矸石級(jí)配滿足料漿坍落度和流動(dòng)性要求。根據(jù)混凝土粗骨料的級(jí)配經(jīng)驗(yàn)[2]，充填中煤矸石級(jí)配應(yīng)控制 5～25 mm 和 -5 mm 的比例。充填實(shí)踐表明，-5 mm 的比例在 40% 左右時(shí)，級(jí)配和流動(dòng)性最優(yōu)，充填體密度最大，故加工后的煤矸石粒徑應(yīng)為 -25 mm，并通過篩分將矸石 -5 mm 的比例控制到 40%。根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)證明，充填體中常用水泥和粉煤灰比例為 1∶1～1∶4，粉煤灰和煤矸石比例為 1∶4～1∶10。

1.2 充填料漿沉降特性試驗(yàn)

充填料漿的沉降特性試驗(yàn)是十分有必要的，因?yàn)槠涑两敌阅軟Q定著充填體的穩(wěn)定性，從而確定充填料漿達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的起始質(zhì)量分?jǐn)?shù)[3]。對(duì)水泥、粉煤灰、煤矸石配比分別為 1∶1∶4、1∶1∶6、1∶1∶8、1∶1∶10、1∶2∶10、1∶3∶10、1∶4∶10，質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為 70% 的料漿進(jìn)行沉降特性試驗(yàn)，測(cè)試充填料漿中粉煤灰含量和灰矸比對(duì)充填料漿沉降特性的影響。將配制均勻的樣品分別放入 500 mL 的量筒中，用礦漿攪拌棒在量筒中來回?cái)嚢柚敝辆鶆蚧旌?，并用保鮮膜將量筒開口處密封以防止水分蒸發(fā)影響計(jì)算結(jié)果。每隔 10 min 記錄清水凈增量，清水總量，料漿量，計(jì)算沉降后的料漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)以及料漿容重。

圖2 充填料漿沉降特性試驗(yàn)Fig.2 Test for sedimentation characteristic of filling slurry

沉降特性試驗(yàn)結(jié)果如表 2 所列。膏體充填料漿自然沉降曲線如圖 3 所示。

表2 沉降特性試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.2 Results of test for sedimentation characteristic

從表 2 可以看出，料漿中大粗顆粒沉降速度快，小細(xì)顆粒沉降速度慢，在試驗(yàn)開始 40 min后，大粗顆粒已經(jīng)沉降并到達(dá)緊密接觸狀態(tài)；1 h 后，懸浮在容器上部的小細(xì)顆粒也沉降到緊密接觸狀態(tài)，接著繼續(xù)觀察顆粒沉降；在 1 h 至 24 h 內(nèi)，沉降量并無明顯增加。試驗(yàn)表明：由于煤矸石粗顆粒很多，所以其初始下降速度很快，其細(xì)顆粒在沉降 1 h 后，也基本沉降完畢，即達(dá)到最大沉降質(zhì)量分?jǐn)?shù)。由圖 3(a) 可以看出，不同灰矸比對(duì)料漿的沉降性能有較大影響，其矸石比例越高，則充填料漿的最終沉降質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大，這是因?yàn)轫肥写诸w粒較多，保持水分的能力較差，表明不離析、不分級(jí)、滿足結(jié)構(gòu)流膠結(jié)充填要求的料漿起始質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般較高；由圖 3(b) 可以看出，粉煤灰對(duì)充填料漿沉降特性的影響要比灰矸比的影響因素要大，這是由于粉煤灰具有很強(qiáng)的吸水性，導(dǎo)致其濾出的水較少，粉煤灰含量越多，則吸收的水分越多，從而減少了水分的流失，造成最終沉降質(zhì)量分?jǐn)?shù)也就越低。上述配比中，各個(gè)配比的充填料漿最大沉降質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 81%～83%。

1.3 充填料漿泌水率試驗(yàn)

泌水率是評(píng)價(jià)管路輸送性能好壞的重要參數(shù)，在輸送過程中以水、水泥和粉煤灰形成的潤滑層在充填體和管路間起著潤滑作用。如果泌水率過高，在輸送過程中，充填體的泵送壓力小于管壁的摩擦阻力時(shí)，管內(nèi)會(huì)出現(xiàn)泌水分層現(xiàn)象從而造成骨料沉積堵塞管路，最終充填體無法沿輸送管向前移動(dòng)至工作面，即說明充填體的保水性不好；如果泌水率過低，充填體保水性好，說明充填體中成分顆粒級(jí)配好，料漿不離析。王洪江等人的研究成果表明，充填材料的泌水率和潤滑層厚度存在以下關(guān)系[4]

式中：Br為泌水率，%；R為管道半徑，m；h為潤滑層厚度，m；Gw為水的密度，g/cm3；Cw為充填材料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；Gs為物料的密度，g/cm3。

靜置泌水率[4]

式中：Wb為泌水總質(zhì)量，g；W為拌和的用水量，g；m為拌和的充填材料總質(zhì)量，g；m1為試樣質(zhì)量，g。

充填料漿泌水率試驗(yàn)：①使用油脂將容量筒內(nèi)壁潤滑，記錄下潤滑后容量筒質(zhì)量；② 將漿體裝進(jìn)容量筒并用搗棒搗實(shí)，然后放到振動(dòng)臺(tái)上振至漿體表面泛漿；③擦凈容量筒外壁，秤出質(zhì)量并記錄下數(shù)據(jù)；④ 將其放在水平無振動(dòng)的地方，封好筒口；⑤使用吸管間隔 20 min 將容量筒中的泌水吸出，吸出后的水放入量筒中，記錄吸出水量，重復(fù)以上操作 9次，最后記錄吸水量累計(jì)值。泌水率試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表 3所列，各種因素對(duì)料漿泌水率的影響如圖 4 所示。

圖4 各種因素對(duì)料漿泌水率的影響Fig.5 Influence of various factors on bleeding ratio of slurry

表3 泌水率試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.3 Results of test for bleeding ratio

由圖 4 可以看出，灰矸比和粉煤灰摻量對(duì)料漿泌水率的影響較大，而料漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)泌水率的影響較小，說明影響料漿泌水率的重要因素在于充填材料。由圖 4(a) 可知，隨著充填體質(zhì)量分?jǐn)?shù)的升高，材料配比時(shí)的用水量減小，體系中水量降低，泌水率降低容易理解，但試驗(yàn)中也出現(xiàn)相反現(xiàn)象，當(dāng)材料配比相同時(shí)，82% 的充填體泌水率大于 80% 充填體的泌水率，說明泌水率和漿體質(zhì)量分?jǐn)?shù)并無明顯的相關(guān)關(guān)系；由圖 4(b) 可知，當(dāng)充填材料中矸石比例較大時(shí)，其泌水率也較高。這是因?yàn)轫肥壤^大，其細(xì)料占比就比較少，則拌和料中固體表面積與水體積之比就小，拌和料的初始泌水愈大；從圖 4(c) 可知，粉煤灰摻量越大，泌水率越低。粉煤灰在料漿中的比例越大，其漿體失水少，原因是料漿中的大顆粒骨料不易吸收水分，但是粉煤灰吸水性強(qiáng)，水倒入漿體初期，由于粉煤灰表面積大，水先將侵入粉煤灰顆粒中，然后才能侵入水泥和大顆粒煤矸石中，粉煤灰比例越大，漿體保水效果越好，粉煤灰有助于減小泌水。從料漿泌水率來看，水泥與粉煤灰摻量比值可為 1∶1～1∶2 之間，可以滿足泌水率要求。當(dāng)料漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低時(shí)，可視情況添加粉煤灰，增加料漿保水性。

1.4 充填料漿流動(dòng)度試驗(yàn)

料漿的流動(dòng)性和穩(wěn)定性是料漿輸送的重要保證，良好的流動(dòng)性和穩(wěn)定性是料漿輸送中不沉降、不離析、不脫水的重要保障和前提。在輸送過程中，往往由于料漿沉降而發(fā)生堵管，導(dǎo)致輸送故障；采場(chǎng)料漿離析而泌水，對(duì)充填體強(qiáng)度造成較大的影響。表征料漿流動(dòng)性的指標(biāo)有流動(dòng)度，表征料漿穩(wěn)定性的指標(biāo)有坍落度。由于煤矸石粒度較粗，細(xì)粒級(jí)的含量較少，根據(jù)之前所做的沉降試驗(yàn)、泌水率試驗(yàn)，選取 78%～84% 的料漿進(jìn)行流動(dòng)度試驗(yàn)。

將料漿試樣分 2 層裝入截圓錐模內(nèi)，第 1 層占模高 2/3，用刀在相互垂直的方向分別劃 5 次，然后使用搗棒搗壓 15 次；裝第 2 層料漿，用同樣方法用小刀劃 5 次，再用搗棒搗壓 15 次，搗棒搗壓力度、方式和順序依據(jù) GB/T 2419—2005《水泥膠砂流動(dòng)度測(cè)定方法》中規(guī)定執(zhí)行。搗壓完畢后，取下模套，使用小刀水平抹去高出截圓錐模的料漿，并清理周圍多余的料漿。垂直向上提起截圓錐模。用卡尺測(cè)量出 2 個(gè)垂直方向上的擴(kuò)展直徑，并計(jì)算出平均值。該值就為此次試樣的流動(dòng)度。整個(gè)試驗(yàn)應(yīng)在 2.5 min 內(nèi)完成。

料漿中水泥、粉煤灰、煤矸石配比為 1∶2∶6，其流動(dòng)性試驗(yàn)如表 4 所列。

表4 料漿流動(dòng)性試驗(yàn)Tab.4 Test for fluidity of filling slurry

由表 4 可知，當(dāng)料漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 82% 時(shí)，其流動(dòng)度為 241 mm，均勻性及流動(dòng)性都比較好，基于水泥與粉煤灰配比 1∶2，當(dāng)料漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)過低出現(xiàn)離析時(shí)，可適當(dāng)加入粉煤灰，增加料漿保水性。

1.5 充填料漿坍落度試驗(yàn)

坍落度是充填料漿工作性能的一個(gè)重要參數(shù)[5]。坍落度低，表示料漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)高，流動(dòng)性差，這時(shí)流動(dòng)過程中阻力大，不便于在管路中輸送。反之，坍落度高，表示料漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)低，流動(dòng)性好，但是充填料漿強(qiáng)度差，不利于充填體穩(wěn)定。

一般情況下，漿體中粉煤灰、水泥含量多時(shí)，流動(dòng)性強(qiáng)，塌落度大，為節(jié)約充填體成本，使用粉煤灰代替水泥時(shí)，就必須試驗(yàn)弄清充填料漿各成分比例與料漿坍落度的關(guān)系。

充填料漿的質(zhì)量分?jǐn)?shù)是影響充填料漿輸送性能的一個(gè)重要指標(biāo)。在充填料漿流動(dòng)性試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)充填料漿的坍落度進(jìn)行試驗(yàn)，以便下一步確定充填料配比試驗(yàn)方案，為此進(jìn)行了不同充填料漿配比的坍落度測(cè)定。第 1 組充填料漿：水泥、粉煤灰、煤矸石配比為 1∶2∶6，充填料漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 78%～84%。第2 組充填料漿：粉煤灰摻量水泥、粉煤灰配置分別為1∶1、1∶2、1∶3、1∶4，灰矸比為 1∶6，充填料漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 80%。

坍落度試驗(yàn)方法：①用濕布抹濕坍落筒，通過漏斗將調(diào)配好的料漿分 3 層裝入坍落筒內(nèi)，每層占桶高度 1/3，每層裝完后用搗棒由邊緣至中心插搗 25次，切忌用力沖擊，插搗時(shí)應(yīng)均勻分布在界面上，插搗最底層時(shí)，搗棒應(yīng)貫穿底部，插搗第 2 層和第 3 層時(shí)應(yīng)插透本層并插入下層約 20～30 mm；② 坍落度筒裝滿插搗完后，抹平筒口，清除筒口和筒底多余的料漿；③在 10 s 內(nèi)將坍落筒垂直提起，提起過程中不要使充填體受到橫向及扭力作用，從裝料到提筒整個(gè)過程在 2.5 min 內(nèi)完成，將筒放在試樣旁；④ 用標(biāo)尺量出試樣最高點(diǎn)離筒頂垂直距離，這個(gè)數(shù)值就是該試樣的坍落度。料漿表觀形態(tài)和料漿坍落度測(cè)定結(jié)果如圖 5 所示。不同粉煤灰摻量的料漿坍落度試驗(yàn)如圖 6所示。料漿坍落度曲線如圖 7 所示。

由圖 5 和圖 7(a) 可知，料漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)材料最直接的影響就是隨著質(zhì)量分?jǐn)?shù)升高，料漿黏稠性增加，同時(shí)坍落度也隨之降低。料漿坍落度隨著質(zhì)量分?jǐn)?shù)的升高，降低趨勢(shì)加速，到最后甚至呈現(xiàn)松散狀態(tài)，表明其已失去流動(dòng)性能。

圖5 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的料漿坍落度試驗(yàn)Fig.5 Test for slump of slurry with various mass fraction

由圖 6 和圖 7(b) 可知，隨著粉煤灰比例增大，料漿中細(xì)粉顆粒數(shù)量增多，導(dǎo)致整體表面積變大，需水量變多，整體黏聚性增強(qiáng)，骨料擴(kuò)展度變小，整體表現(xiàn)出的塌落度變小。總之，小顆粒粉煤灰在料漿中阻礙了骨料位移，從而使坍落度減小。

圖6 不同粉煤灰摻量的料漿坍落度試驗(yàn)Fig.6 Test for slump of slurry with various content of fly ash

圖7 料漿坍落度曲線Fig.7 Curve of slurry slump

一般來說良好可泵送性的料漿坍落度為 15～25 cm，由坍落度試驗(yàn)可以看出：當(dāng)水泥、粉煤灰、煤矸石配比為 1∶2∶6，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 80%、82% 時(shí)，其坍落度分別為 22.5、17.3 cm，滿足充填體輸送要求；當(dāng)水泥、煤矸石配比為 1∶6，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 80%，水泥、粉煤灰配比為 1∶1、1∶2 時(shí)，其坍落度分別為24.2、19.8 cm，同樣滿足充填體輸送要求。因此，在進(jìn)行充填材料配比設(shè)計(jì)時(shí)，為保證良好的漿體輸送性能，料漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)最好為 80%～82%，粉煤灰摻量控制在 1∶1～1∶2。在實(shí)際情況中，也可以增大或者降低粉煤灰摻量以達(dá)到輸送要求。

3 結(jié)論

通過對(duì)充填料漿進(jìn)行煤矸石粒度分析、充填料漿沉降特性試驗(yàn)、泌水率試驗(yàn)、流動(dòng)度試驗(yàn)以及坍落度試驗(yàn)，可得出如下結(jié)論。

充填料漿中煤矸石粒度 -5 mm 的顆粒占比應(yīng)控制為 40%，同時(shí)最大顆粒粒徑不得超過 25 mm；從沉降特性試驗(yàn)來看，料漿沉降質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 81%～ 83%時(shí)，其可達(dá)到充填要求；從泌水率試驗(yàn)可以看出，灰矸比為 1∶4～1∶10 時(shí)，水泥與粉煤灰的比值在1∶1～1∶4 之間，可以滿足漿體泌水率 1.5%～ 4.5%的要求；從流動(dòng)度和坍落度測(cè)定結(jié)果可看出，料漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 78%～84% 時(shí)，料漿的流動(dòng)性和穩(wěn)定性最好。