黄土粉煤灰基新型煤矿充填材料配比试验研究

孙凯华

(天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京100013)

随着矿山充填技术的发展，充填材料和工艺在不断改造和创新的过程中得到发展，经历了水砂充填、低浓度胶结充填、高浓度胶结充填、膏体泵送充填、高水 (超高水)材料固结充填及其他新型材料 (似膏体)自流输送充填等几个阶段［1－3］，目前煤矿采空区充填主要采用膏体泵送充填和似膏体(高水)自流充填这两种充填材料和工艺。

传统的膏体和似膏体充填材料对粉煤灰的需求量较大，随着粉煤灰综合利用技术的推广，粉煤灰得到了广泛地应用，其价格不断上涨，尤其是在粉煤灰相对较少，价格较高的西北矿区实施充填开采，较高掺量的粉煤灰导致充填材料成本偏高，影响了充填开采的经济技术效益，制约了充填开采技术的推广。为了解决这一问题，减少粉煤灰的用量，本文通过实验探索一种具有良好的力学性能且适宜输送的廉价新型充填材料，满足煤矿采空区充填的工艺要求。

我国西北地区有丰富的黄土、风积砂等天然的充填原材料，目前，对黄土粉煤灰共同作为充填材料主要成分的研究较少［4－8］，针对煤矿充填材料的特点，采用以黄土、粉煤灰为主料，以水泥、石灰碱性材料为辅料，进行新型充填材料的配合比实验，得到煤矿新型充填材料的配比，实现用黄土取代传统充填材料中的部分粉煤灰，在满足充填材料性能的前提下，最大限度地降低充填材料成本。

1 充填料浆加固机理

粉煤灰作为充填材料主要是利用其潜在火山灰活性在碱性条件下得以激发“碱激发”原理，粉煤灰主要成分为 SiO2，Al2O3及少量的 Fe2O3和CaO等，生石灰主要成分是CaO。粉煤灰的颗粒均匀细小，比表面积大，石灰与水的掺入激发了粉煤灰的活性，在粉煤灰粒子界面发生火山灰反应，形成纤维状晶体，使得后期强度不断提高。黄土的主要成分为SiO2和Al2O3等，其活性较低。粉煤灰、石灰与黄土在一定含水量条件下，在碱性环境中经充分反应后形成致密的混合结构，具有强度高、压缩性小、自重轻等工程特性，促进了黄土的水化水解和凝胶作用，改善了黄土的工程灾害性，同时粉煤灰与石灰代替部分水泥，降低了工程成本，实现了废物利用。3种混合材料在一定的含水率条件下发生系列水化反应，生成的水化物在空气与水中逐渐硬化，强度随着时间的增长而逐渐增大。其主要的反应原理如下:

充填体的早期强度主要是以水泥的水化反应为基础，后期强度的增长主要由粉煤灰的活性激发及其与黄土等材料的反应情况决定。

由于新型充填材料自身的特点，当各种水化物生成后，有的自行继续硬化形成钙矾石骨架，有的则与黄土相互作用，其作用形式可归纳为:离子交换与团粒化作用、水泥的凝结硬化、碳酸化作用和硬凝反应等4个方面。

由充填料浆的水化反应机理可知，粉煤灰中SiO2，Al2O3等活性成分的激发和水泥熟料矿物C3A等的水化是在Ca(OH)2存在的环境中进行的，这也是充填料浆硬化过程中的特点之一，Ca(OH)2在液相中处于饱和状态。水化硅酸钙等水化产物只有在饱和Ca(OH)2溶液的环境中才能保持稳定，否则就会发生水解，并离析出游离的CaO到溶液中去，直到Ca(OH)2溶液的浓度升高到足以使其稳定存在时为止。当将石灰加入到溶液中去时，强度较低的低碱性水化硅酸钙、水化铝酸钙和水化铁酸钙就会同石灰结合生成强度较高的高碱性水化硅酸钙、水化铝酸钙等水化产物，并在石膏的作用下反应生成具有水硬胶结性的钙矾石(AFt)，从而使充填体的后期强度得到提高。

2 料浆原材料选取及实验方案

为了测定以黄土与粉煤灰为主的充填材料制成充填体的物理力学性质，研究黄土和粉煤灰共同作为充填材料的可行性，得到黄土粉煤灰基新型煤矿充填材料配比，进行了以下实验。

2.1 料浆原材料的选取及充填材料的主要指标

试验用水为西安临潼区生活用水，无悬浮物，无色无味，合乎试验要求。黄土为西安临潼区马兰黄土 (Q3)，浅黄色，经0.5mm试验筛过筛，105℃烘干。粉煤灰为西安灞桥热电厂生产的Ⅱ级粉煤灰。水泥为临潼当地矿山牌P.O 32.5普通硅酸盐水泥，其物理、化学检验结果符合国家标准(GB1344－1999)。石灰为陕西富平曹村镇华泰建材有限责任公司的钙质石灰。外加剂为市售化学试剂，主要为盐碱类激发剂。其中黄土和粉煤灰统称为主料，水泥、生石灰和石膏统称为辅料，主料、辅料和外加剂合称为固料。

根据充填工艺对充填材料的要求，充填料浆一般条件下应具备以下特征［9－10］:料浆的流动性应根据充填设备、工艺特点及实际充填工程经验确定，满足自流输送工艺的料浆稠度应不超过14s，满足泵压输送的料浆坍落度应不小于200mm。料浆的固结性状:静置泌水率不超过5%。料浆的初、终凝时间要求料浆既有足够的可泵送时间或可流动时间，又能到达充填工作面后及时凝固自立，一般料浆的初凝时间应大于2.5h，终凝时间在1～2d之内。料浆结石体的抗压强度取决于采矿地质条件和煤矿开采工艺，一般要求实验室标准养护条件下8～10h强度不小于 0.1MPa，28d强度不小于1.5MPa。

2.2 料浆配比方案与单轴压缩试验

2.2.1 试验方案设计

根据充填材料的性质及充填工艺对充填材料的要求，利用正交原理安排试验［11－12］。本试验主要考虑5种因素，即料浆质量浓度 (X1)、主料中黄土与粉煤灰质量比 (土灰比X2)、辅料与固料的质量比 (辅料添加量X3)，外加剂与固料的质量比(外加剂添加量X4)，充填体养护时间(X5)。选定的指标为:稠度(s)、坍落度(mm)、初终凝时间(h)、结石率(%)、各养护时间单轴抗压强度 (MPa)。本试验为五个因素四水平，选用正交表L16(45)安排试验。具体影响因素和水平排列如表1所示。

表1 试验因素与水平排列

料浆的流动性能采用水泥料浆稠度测定仪及坍落度仪测得;试样采用立方三联砂浆抗压试模制成7.07cm×7.07cm×7.07cm的标准试块，待终凝后，拆模，参照井下还原环境，放在恒温 (20±5)℃的水中养护;料浆的初、终凝时间采用新标准法维卡仪测得;料浆结石率利用钢尺测得 (实际结石体高度与标准试样高度7.07cm比值);结石体单轴抗压强度采用微机控制电子式万能试验机测试。

2.2.2 试块主要指标测试

按照试验设计方案配制的料浆，测定其物理性质，参照井下环境，放在恒温 (20±5)℃的水中分别养护3d，7d，14d及28d后，采用微机控制电子式万能试验机分别测不同养护时间试样的结石率和单轴抗压强度，每组6个试块，取其平均值，试验结果见表2。

表2 料浆主要指标及试块单轴强度试验结果

根据表2分析可知:各组试验的泌水率均能达到要求，在其他条件基本一致时，随着料浆浓度的提高，料浆流动性越差，可灌性越低;外添加剂含量越高，初、终凝时间越短;养护天数越长，结石体强度越高。

3 试验结果分析

3.1 试验各因素对结石体单轴抗压强度的影响

在充填料浆凝固时间、结石率和强度等指标中，结石体的强度是最为重要的一个指标，因此本试验以单轴抗压强度作为评判结果，利用正交试验结果分析判断各因素与水平对结果的影响。试验结果分析见表3。

表3 单轴抗压强度试验结果分析 MPa

从表3中各因素对结果影响的极差R可以看出:浓度对结果的影响最大，为主导因素，其余因素的极差差别不大，说明各因素重要程度相当，在工程实践中都应同等重视。为进一步了解各因素对实验结果的影响程度，得到最优配比，根据表3，利用各水平强度之和，得到的因素影响结果的趋势如图1所示。

图1 试验各因素对强度的影响

由图1可以看出:

(1)结石体抗压强度随着料浆浓度升高而升高，说明料浆浓度越大，结石体强度越高。充填料浆浓度偏低，料浆中多余的水分无法参与水化反应，大量自由水的存在对充填体强度的增长不利，同时还导致充填体结石率偏低，影响充填工作面的充填率。料浆浓度优选配比范围为60%～65%。

(2)随黄土与粉煤灰质量比的增大，结石体的抗压强度呈先增大后减小趋势，在土灰比为1∶2时达到较大值，当土灰比大于1∶1之后又趋于稳定的较低值，说明黄土与粉煤灰的比例存在一个较优的范围，即土灰比在1∶1.5～1∶3之间。

(3)随着辅料占固料质量比的增大，结石体抗压强度呈先下降后上升再下降的趋势，在辅料占固料25%左右时达到最小值，在32%左右时达到最大值。当辅料比例小于20%时，使得主料比例相对较大，结石体强度相对25%时有所提高，但考虑到辅料中的水泥对料浆凝胶的影响以及石灰对后期强度提高的作用，故优化区域宜选在30%～33%之间。

(4)随着外添加剂占固料质量比的增大，结石体抗压强度呈先下降后上升的趋势，在外添加剂占固料8%左右时达到最小值，在4%左右达到较大值。另外，外添加剂比例大于8%时试样强度有所提高，但考虑添加剂中的速凝剂对凝胶时间的影响以及其工程成本，添加剂的优化比例宜在5%～7%之间。

(5)试样的抗压强度随养护时间的增加呈增大的趋势，14d养护期内强度提高迅速，养护14d后试样强度提高速度相对较慢，且养护期大于28d后逐渐趋于稳定。表明粉煤灰的活性激发及其与黄土等材料的主要反应发生在14d以内，28d后各原材料已基本完成全部反应。

由图1可知，单个配比的优选条件为:料浆浓度为60%，黄土粉煤灰质量比为1∶2，辅料占固料30%，外添加剂占固料质量6%，养护期为28d。

3.2 满足要求的试验配比方案分析

根据工程实际对充填材料特性的要求，综合分析可知:只有2号、4号、8号、9号试验配比满足要求，将其单独列入表4。其中2号和4号配比能满足自流输送工艺对充填材料的要求，8号和9号配比能满足泵压输送工艺对充填材料的要求。

表4 满足要求的试验配比方案

4 结论

(1)根据充填工艺对充填材料的要求，充填料浆应具备以下特征:满足自流输送工艺的料浆流动度应不超过14s，满足泵压输送的料浆坍落度应不小于200mm;料浆的结石率不低于90%。一般条件下料浆的初凝时间应大于2.5h，终凝时间在1～2d之内。料浆结石体的抗压强度取决于地质条件和工作面充填开采工艺;一般要求实验室标准养护条件下8～10h单轴抗压强度不小于0.1MPa，28d单轴抗压强度不小于1.5MPa。

(2)新型充填料浆试验方案为五因素四水平，选用正交表L16(45)安排试验，试验结果表明单个配比的优选条件为:料浆浓度为60%;黄土粉煤灰质量比为1∶2;辅料占固料30%;外添加剂占固料质量6%;养护期为28d。

(3)通过正交试验，得到可作为新型充填材料的黄土粉煤灰充填料浆配比范围为:料浆浓度为60%～65%;黄土粉煤灰质量比1∶1.5～1∶3;辅料占固料质量30%～33%，外添加剂占固料质量5%～7%，养护期为28d。

(4)试样表明:用黄土作为原材料和粉煤灰共同作为煤矿充填材料是可行的，是降低充填材料成本的一个重要途径。

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