煤矸石制充填材料配比試驗探究

黃曉鵬，蓋鵬艷

（滕州郭莊礦業(yè)有限責(zé)任公司錦丘煤礦，山東 滕州 277599）

0 引言

充填開采是一種有效緩解地表沉陷的技術(shù)手段，對煤炭綠色開采、提高資源回收率、降低環(huán)境污染均有重要意義[1]。充填材料也在不斷發(fā)展，從傳統(tǒng)的木垛、料石堆積，發(fā)展到膏體材料。膏體充填的優(yōu)勢有：流動性好，便于充填作業(yè)；強(qiáng)度較高，能夠形成支撐作用。其弊端也很明顯：成本巨大，因此很多煤礦對該技術(shù)的應(yīng)用望而卻步，進(jìn)而對煤炭資源造成了大量的浪費[2]。如何降低充填材料的成本成為當(dāng)今充填開采研究的熱門課題，如何降低充填材料的形變，如何提高充填材料的強(qiáng)度，都是研究的重中之重[3]。我國煤炭儲量豐富，煤層賦存差距大，地質(zhì)條件復(fù)雜，因此，以煤矸石為主充填材料的研究迫在眉睫。

1 充填材料的基本性質(zhì)

本試驗研究原料均選自錦丘煤礦，分別為煤矸石，粉煤灰，水泥。

1.1 煤矸石粒徑分布測試

以錦丘煤礦煤矸石為測試樣品，用粒級組成分析測定煤矸石顆粒組成尺寸及含量，測試方法為振篩篩分法。采用7種不同的孔徑進(jìn)行篩分，分別為0.15、0.3、0.6、1.18、2.36、4.75、9.5 mm。試驗前，將煤矸石樣品在鼓風(fēng)干燥箱中干燥，直到恒重為止。振動時，每次取樣2 kg，時間為15 min，直至每一級篩網(wǎng)篩余部分未發(fā)生較大變化為止，最后，將所有分級后的煤矸石樣品收集分類、干燥，計算收率。振篩結(jié)果見表1。

表1 煤矸石篩分粒級分布測試結(jié)果

式中：MX為細(xì)度模數(shù)。

經(jīng)計算，煤矸石樣品細(xì)度模數(shù)MX=4.137，略高于天然粗砂。

1.2 煤矸石、粉煤灰真密度測試

1.2.1 試驗步驟

煤矸石、粉煤灰（采用煤油介質(zhì)）密度測定依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)為冶標(biāo)Y B-373-75。

試驗步驟如下：①將25 ml的比重瓶用洗液洗凈，烘干之后，用感量為萬分之一克的天平稱量，得比重瓶的質(zhì)量m1；②取已烘干的試樣放入瓶中，試樣裝入量為容積的1/3左右，稱出瓶和試樣的質(zhì)量m2；③向瓶內(nèi)注入蒸餾水（煤油），達(dá)容積的2/3，在熱水浴中煮沸，除去試樣上附著的氣泡。經(jīng)靜置冷卻后，再將蒸餾水注滿至瓶口，塞上瓶塞，使水（煤油）從瓶塞上的毛細(xì)管中溢出，才說明瓶中已裝滿水（煤油）。擦干瓶外的水分，稱比重瓶、試樣及水（煤油）的質(zhì)量為m3；④從瓶中倒出水（煤油）和試樣，洗凈后裝滿蒸餾水（煤油），稱瓶和水（煤油）的質(zhì)量m4。計算公式：

式中：ρo為物料的真密度，g/cm3；m1為比重瓶的質(zhì)量，g；m2為比重瓶和試樣的質(zhì)量，g；m3為比重瓶、試樣和水（煤油）的質(zhì)量，g；m4為比重瓶和水（煤油）的質(zhì)量，g；ρ'為介質(zhì)的密度，g/cm3。

1.2.2 試驗結(jié)果

通過3次真密度試驗取平均值測定錦丘煤礦煤矸石、粉煤灰的真密度，測定結(jié)果見表2、表3所示。

采用Philips Achieva3.0T磁共振儀對所有患者實施MR檢查，在檢查前4～6h內(nèi)需禁食?；颊甙螂走m度充盈，在檢查時保持仰臥位，掃描范圍包括恥骨聯(lián)合至臍部，行橫斷面、冠狀位及矢狀位掃描。參數(shù)設(shè)定：T1WI：TR 120ms～160ms，TE13ms，翻轉(zhuǎn)角角度為70°；T2WI：TR 3000ms～5000ms，TE 95ms～120ms，層厚為5mm～7mm，間隔1mm，矩陣為320×256，視野23×23cm2，采集1至3次。MR檢查結(jié)果由科室兩名資深醫(yī)師負(fù)責(zé)判斷，分析并記錄不同不同病灶的信號特征，并判斷病變性質(zhì)，與手術(shù)證明進(jìn)行比較[3]。

表2 煤矸石真密度測試結(jié)果

表3 粉煤灰真密度測試結(jié)果

由表可知，煤矸石真密度為2.595 g/cm3，粉煤灰真密度2.469 g/cm3。

1.3 堆密度試驗

取已經(jīng)烘干的煤矸石、粉煤灰樣品，測定堆密度依據(jù)建筑用砂國家標(biāo)準(zhǔn)：G B/T14684-2011，經(jīng)3次測試取平均值，測得錦丘煤礦煤矸石樣品的堆密度為1.097 g/cm3，詳細(xì)數(shù)據(jù)見表4、表5。

表4 煤矸石堆密度的測試結(jié)果

表5 粉煤灰堆密度的測試結(jié)果

1.4 孔隙率的計算

空隙率依據(jù)建筑用砂國家標(biāo)準(zhǔn)：G B/T 14684-2011。計算公式：

式中：n為空隙率，%；γ為試樣的堆密度，kg/m3；ρo為試樣的真密度，kg/m3

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)和空隙率計算公式，錦丘煤礦煤矸石的空隙率為47.67%，粉煤灰的空隙率結(jié)果為79.59%。

1.5 小結(jié)

1）篩分后的錦丘煤礦粉煤灰粒度組成，+4.75 mm占30.49%，-1.18 mm以下占了17.72%。測得煤矸石細(xì)度模數(shù)MX=4.137，且破碎后，粒度屬于細(xì)碎石。

2）測得錦丘煤礦煤矸石真密度為2.595 g/cm3，粉煤灰真密度為2.469 g/cm3。

3）測得錦丘煤礦煤矸石空隙率為47.67%。粉煤灰的空隙率結(jié)果為79.59%。

2 煤矸石膠結(jié)充填配比試驗

2.1 試驗材料

2）膠凝材料：水泥（礦方提供）。

3）水：煤矸石澄清水及自來水。

2.2 小樣試驗結(jié)果與分析

充填料漿濃度是決定充填開采技術(shù)成功與否的重要指標(biāo)之一，需要滿足料漿在管道內(nèi)的流動性要求，避免堵管，降低料漿管路運輸成本[4-7]。根據(jù)前期小樣試驗表6結(jié)果分析可得，濃度為76%時，可以滿足泵送要求，擬定配比試驗濃度為76%。

表6 濃度76%、79%充填配比試驗結(jié)果

2.3 配比試驗方案設(shè)計

骨料的級配條件是影響充填體強(qiáng)度的重要因素[8-9]。在錦丘煤矸石、粉煤灰性能測定的基礎(chǔ)上，通過采用不同配比，進(jìn)行塌落度、泌水率、屈服應(yīng)力等試驗，使充填體達(dá)到膏體狀，以此滿足充填泵送的前提要求[10]；然后在室內(nèi)進(jìn)行充填體試塊制作，測定養(yǎng)護(hù)期分別為1、3、7、28 d時的充填體單軸抗壓強(qiáng)度（28 d≧3.3 MPa），然后通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)綜合分析，得到錦丘煤矸石、粉煤灰膠結(jié)充填的最優(yōu)配比參數(shù)。

根據(jù)小樣試驗結(jié)果，根據(jù)單位體積下不同的煤矸石、粉煤灰、水泥、水用量，設(shè)計配比試驗方案，其中煤矸石、粉煤灰骨料，水泥作為膠凝材料，煤矸石和粉煤灰用量比為5∶1;單位體積水泥用量為0.23、0.25、0.27 t/m3，濃度為76%。由于井下環(huán)境陰冷潮濕，充填體經(jīng)常受到淋水[11]。為了盡量模擬真實井下環(huán)境，采用恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，以確保試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性，濕養(yǎng)護(hù)箱的溫度保持在20°～24℃之間，濕度為92%。

2.4 配比試驗結(jié)果與分析

配比試驗的目的是確定膠凝材料（水泥）和骨料（煤矸石和粉煤灰）充填最優(yōu)配比參數(shù)，包括每方膠凝材料用量、骨料用量、質(zhì)量濃度等。試驗結(jié)果見表7，單軸抗壓強(qiáng)度如圖2所示。

表7 煤矸石、礦方水泥膠結(jié)充填配比試驗結(jié)果

圖2 76%濃度不同水泥用量強(qiáng)度指標(biāo)

分析可得：當(dāng)煤矸石和粉煤灰用量比為5∶1時、單位體積水泥用量為0.23～0.27 t/m3、濃度76%時，為最佳配比，既滿足易和性，也滿足泵送和抗壓強(qiáng)度的要求，且7 d強(qiáng)度滿足大于3.3 MPa的要求，28 d強(qiáng)度最小5.78 MPa高于3.3 MPa的要求。

3 結(jié)論

1）錦丘煤礦篩分后粉煤灰粒度組成為：+4.75 mm占30.49%，-1.18 mm以下占了17.72%。煤矸石細(xì)度模數(shù)MX=4.137，煤矸石破碎后粒度略高于天然粗砂。

真密度測定值為2.595 g/cm3，粉煤灰真密度為2.469 g/cm3。煤矸石空隙率為47.67%，粉煤灰的空隙率結(jié)果為79.59%。

2）煤矸石和粉煤灰的最佳配比為5∶1，單位體積水泥用量為0.23～0.27 t/m3，濃度為76%，此時既滿足易和性，也滿足泵送和抗壓強(qiáng)度的要求，且試驗所用煤矸石、粉煤灰膠結(jié)充填漿體泌水率都小于2%，說明試驗所取濃度較高，達(dá)到膏體充填的目標(biāo)。