煤矸石大粒径粗骨料比例对充填膏体性能影响的试验研究

刘　音，李金平，路　瑶，周煜明

(1.山东科技大学 矿山灾害预防控制国家重点实验室(培育)，山东 青岛 266590；2.河南理工大学 河南省矿产资源绿色高效开采与综合利用重点实验室，河南 焦作 454003；3.山东科技大学 矿业与安全工程学院，山东 青岛 266590；4.山东科技大学，山东 青岛 266590)



基础研究

煤矸石大粒径粗骨料比例对充填膏体性能影响的试验研究

刘音1，2，3，李金平1，3，路瑶1，3，周煜明4

(1.山东科技大学 矿山灾害预防控制国家重点实验室(培育)，山东 青岛 266590；2.河南理工大学 河南省矿产资源绿色高效开采与综合利用重点实验室，河南 焦作 454003；3.山东科技大学 矿业与安全工程学院，山东 青岛 266590；4.山东科技大学，山东 青岛 266590)

为了研究充填体中煤矸石大粒径粗骨料所占比例对充填体性能的影响，利用破碎煤矸石、粉煤灰和水泥制成充填膏体，其粗骨料中大粒径粗骨料占质量比例为0，5%，10%，15%，20%。分别测试了其坍落度，初、终凝时间以及养护1d，3d，7d，28d后的单轴抗压强度。试验结果表明：大粒径粗骨料比例对充填膏体的流动性能具有较大影响，在质量浓度一定的情况下，随着大粒径粗骨料比例的增加，充填膏体流动性能变差，采用试验条件的骨料配比时，充填膏体坍落度由226mm减小到176mm，而充填膏体初、终凝时间基本不变；充填膏体试件早期强度受其影响不大，而后期强度随着大粒径的比例增加而呈准线性增加的趋势，最大达到4.018MPa。综合分析可知15～25mm粗骨料粒径颗粒比例为15%时，充填膏体性能最好。

大粒径；粗骨料比例；充填膏体性能；单轴抗压强度

膏体充填开采技术是解决煤矿开采沉陷及地表破坏的绿色开采技术之一[1]。对于煤矿采空区充填开采技术，充填膏体的输送性能和力学性能是制约充填效果和充填成本的两个关键因素[2-3]。王新民等[4]研究发现，煤矸石的粒度直接影响着充填体的质量和管道的输送性能，粒度越小，管道的输送性能越好；赵才智[5]通过试验发现自燃后的煤矸石应用于煤矿充填开采时有双重作用，既作为骨料，又作为一种活性材料，在合适激发条件下发生水化反应，可以显著提高充填体的抗压强度；吴浩等[6]利用均匀设计方法对煤矸石骨料的颗粒级配进行了研究，确立了一组较优的颗粒级配组成，孔隙率最小、密实性最大的集合体能保证充填体良好的承载特性；闫景臣[7]试验得出改善骨料级配可以降低骨料孔隙率，提高其密实度，减少用于胶结骨料表面或充填孔隙的胶凝材料的用量，因此，骨料最佳级配是形成充填体结构的基础；冯国瑞[8]等通过对废弃混凝土作为粗骨料的充填体进行流动性、泌水率和抗压强度进行试验，分析指出废弃混凝土粗骨料对膏体流动性能以及力学性能影响显著；刘音等[9]对不同来源建筑垃圾再生骨料性能进行分析，得出废弃混凝土做充填骨料性能优于砖混类建筑垃圾骨料。以上研究为充填骨料的应用提供了理论依据。但是目前充填骨料相关研究大都集中在不同充填骨料种类对输送性能、力学性能影响[10-12]等几个方面，对于充填膏体中的粗骨料粒径的大小和比例对充填膏体管道输送性能和力学性能的影响研究较少[13]。

本文通过对充填膏体坍落度，初、终凝时间和单轴抗压强度试验来研究煤矸石粗骨料含量对充填体输送性能和力学性能的影响，综合分析选取大粒径粗骨料合理范围。

1　试验

1.1试验材料

煤矿充填体充填材料由破碎煤矸石、粉煤灰和水泥组成。试验所选煤矸石由岱庄煤矿产出，经过二级破碎后的煤矸石粒径分布柱状图如图1所示。由煤矸石粒径分布柱状图可知，经二级破碎的煤矸石绝大部分粒度介于0.1～13.2mm，仅极个别粒度达到20～25mm。5～25mm占37.94%，小于5mm部分占61.02%，二级破碎矸石符合理想颗粒级配曲线[14]。粉煤灰为来自于青岛市黄岛电厂的Ⅱ级粉煤灰，外观呈浅灰色。胶结材料选用普通复合(矿渣)硅酸盐水泥。对成型养护后的试件进行单轴压缩的试验仪器为MTS815.03岩石伺服试验机。

图1　二级破碎煤矸石粒径分布

1.2试验方案

结合相关文献和现有试验经验[15-18]，确定在充填体粗骨料的颗粒级配中：煤矸石最大粒度一般要小于25mm，在此基础上，将煤矸石粗骨料按粒径分为3个等级，即0～5mm的细骨料，5～15mm骨料和15～25mm的大粒径粗骨料，其中小于5mm的细骨料所占的部分的比重要达到40%左右。

张新国[14]、杨同和[15]等研究者在充填膏体材料优化配比大量试验基础上，确定充填膏体的配合比(质量比)为水泥∶粉煤灰∶煤矸石=1∶4∶6，质量浓度为74%，其中0～5mm细骨料质量比例为40%。本次试验遵循单一变量原则，改变5～15mm和15～25mm 2种粗骨料之间的比例，即形成0～5mm，5～15mm和15～25mm 3种不同粒径骨料质量比分别为8∶12∶0，8∶11∶1，8∶10∶2，8∶9∶3和8∶8∶4的5个水平。充填膏体流动性能主要考虑坍落度和初、终凝时间，其主要影响充填膏体的流动性能；充填膏体的力学性能主要测试其养护1d，3d，7d，28d后的单轴抗压强度。具体粒径分布及试验组号如表1所示。

表1　不同粒径比例分配

2　试验结果与分析

2.1充填膏体的流动性能

2.1.1坍落度

坍落度是反映充填膏体输送性能的重要指标，体现了充填膏体的保水性、流动性和黏聚性。不同大粒径粗骨料比例的充填膏体坍落度试验结果如图3所示。从图3中可以看出，大粒径粗骨料比例对充填体的坍落度有显著影响，大粒径粗骨料比例越大，充填膏体坍落度越小，二者基本呈线性关系，拟合表达式为y=-260x+227，拟合度R2=0.9883。与此同时，充填膏体的流动性能逐渐变差，输送性能也越差，但其黏聚性越来越好。这主要是因为大粒径粗骨料的表面包裹着一层水泥砂浆，其表面变的粗糙，从而导致充填膏体和易性增强，坍落度下降。结合充填膏体最低坍落度要求[12]，从试验结果可知，大粒径粗骨料所占比例必须在20%以下。

图3　大粒径粗骨料比例与坍落度关系

2.1.2初、终凝时间

本次试验使用凝结时间测定维卡仪对已经配制好的充填膏体的初、终凝时间进行测定，试验结果如表2所示，对应关系图如图4所示。

表2　不同大粒径粗骨料比例充填体的初、终凝时间

图4　大粒径粗骨料比例与初、终凝时间关系

从图4可以看出，在质量浓度一定的情况下，随着大粒径粗骨料所占比例的增加，充填膏体初、终凝时间没有太大变化，波动比较平稳，说明膏体的凝结时间主要与胶结材料的含量有关，胶结料含量的高低直接影响着早期生成的水化产物产量，进而影响凝结时间。据此可以确定，在所测范围内，大粒径粗骨料所占比例对充填膏体的初、终凝时间无决定性影响，但从表2可以看出，当大粒径粗骨料所占比例为15%时，膏体终、初凝时间差最小，充填膏体凝结时间最短，更有利于节约充填成本、提高充填效率。

2.2充填体的单轴抗压强度

将标准试件按大粒径粗骨料比例分组，每组3个，分别养护1d，3d，7d，28d后取出进行单轴压缩试验，每组试验结果取3个试件强度的平均值。单轴压缩破坏后的试件照片如图5所示，粒径粗骨料比例与不同龄期试件单轴抗压强度关系如图6所示。由图6可以看出，大粒径粗骨料所占比例为0，5%，10%，15%，20%时，其养护1d后的单轴抗压强度分别是0.177MPa，0.185MPa，0.198MPa，0.169MPa和0.174MPa，强度基本上保持不变；养护28d后的单轴抗压强度分别是3.421MPa，3.685MPa，3.817MPa，3.951MPa和4.018MPa，呈连续上升趋势。随着大粒径粗骨料所占比例的增加，充填体成型后的早期强度并无太大变化，这是由于充填膏体早期强度产生于胶结料的胶结程度，试件内骨料的含量等因素对其影响不大；而充填体后期强度有所升高，呈现准线性增加趋势，这是由于充填材料完成胶结以后，大颗粒的硬度优势得到体现，同时随着大粒径颗粒的增加，单位充填体内需要胶结的面积减少，定量的胶结材料使整个充填体得到更好地凝固。

图5　压缩破坏试件照片

图6　大粒径粗骨料比例与不同龄期 试件单轴抗压强度关系

由上述试验结果可知，当粒径为15～25mm的粗骨料所占比例为15%时，充填膏体的性能最好，即该比例为充填最佳比例。

3　结　论

(1)煤矿膏体充填中，煤矸石粗骨料粒径含量对膏体流动性能有显著影响。试验表明15～25mm大粒径粗骨料的比例对膏体流动性有较大影响，随着大粒径粗骨料含量的增加，膏体坍落度大体呈线性减小，膏体流动性也越差，但粒径含量对充填膏体的初终凝时间影响不大。

(2)随着充填膏体中15～25mm大粒径粗骨料比例增加，其对成型后的充填体早期强度无太大影响，而充填体后期强度呈现准线性增加趋势。当15～25mm的大粒径粗骨料占到15%左右时，养护28d后的抗压强度比含量为0%时的试件提高了15.5%。

(3)当粒径为15～25mm的粗骨料占到15%时，充填体膏体综合性能最好。此时充填膏体的坍落度为187mm，初凝时间为225min，终凝时间为369min，28d抗压强度为3.951MPa，比含量为0%的试件的抗压强度提高了15.5%。

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[责任编辑：施红霞]

Experimental Studying of Coal Gangue Large Particle Size Coarse Aggregate Ratio to Filling Paste Property

LIU Yin1，2，3，LI Jin-ping1，3，LU Yao1，3，ZHOU Yu-ming4

(1.State Key Laboratory of Mine Disaster Prevention and Control，Shandong University of Science & Technology，Qingdao 266590，China；2.Henan key Laboratory for Green and Efficient Mining & comprehensive Utilization of Mineral Resources,Henan Polytechnic University,Jiaozuo 454003,China;3.Ming & Safety Engineering College，Shandong University of Science & Technology，Qingdao 266590，China;4.Shandong University of Science & Technology,Qingdao 266590,China)

In order to study the influence of coal gangue large particle size coarse aggregate ratio to filling body property，filling paste was made from broken coal gangue，flyash and cement，the quality ratio of the large particle size corase aggregate were 0，5%，10%，15% and 20%，respectively.And slump，initial setting time，final setting time，uniaxial compressive strength after curing 1d，3d，7d，28d were test，respectively.The experimental results showed that the ratio of large particle size had large influence to filling paste flowing property，when quality density unchanged，the flowing property would be became worse with the large particle size coarse aggregate ratio increase.The slump of filling paste decreased from 226mm to 176mm under experimental ratio，but initial and final setting time unchanged basic，the early strength of filling paste test specimen changed almost small，but long-term strength increased as quasi-linear trend with the large particle size ratio increased，and reached 4.018MPa at the end.The filling paste property was the best as the ratio of 15～25mm coarse aggregate was 15%.

large particle size；coarse aggregate ratio；pasty fluid property；uniaxial compressive strength

2016-01-08

国家自然科学基金项目(41471025)；山东省高等学校科技计划项目(J13LH03)；河南省矿产资源绿色高效开采与综合利用重点实验室开放基金项目(S201609)；山东省重点研发计划(攻关)项目(2016GSF117036)

刘音(1973-)，女，陕西榆林人，博士，讲师，研究方向为矿山环境与保护。

TD823.7

A

1006-6225(2016)05-0001-03

[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.05.001

[引用格式]刘音，李金平，路瑶，等.煤矸石大粒径粗骨料比例对充填膏体性能影响的试验研究[J].煤矿开采，2016，21(5)：1-3，17.