黄晓鹏,盖鹏艳
(滕州郭庄矿业有限责任公司锦丘煤矿,山东 滕州 277599)
充填开采是一种有效缓解地表沉陷的技术手段,对煤炭绿色开采、提高资源回收率、降低环境污染均有重要意义[1]。充填材料也在不断发展,从传统的木垛、料石堆积,发展到膏体材料。膏体充填的优势有:流动性好,便于充填作业;强度较高,能够形成支撑作用。其弊端也很明显:成本巨大,因此很多煤矿对该技术的应用望而却步,进而对煤炭资源造成了大量的浪费[2]。如何降低充填材料的成本成为当今充填开采研究的热门课题,如何降低充填材料的形变,如何提高充填材料的强度,都是研究的重中之重[3]。我国煤炭储量丰富,煤层赋存差距大,地质条件复杂,因此,以煤矸石为主充填材料的研究迫在眉睫。
本试验研究原料均选自锦丘煤矿,分别为煤矸石,粉煤灰,水泥。
以锦丘煤矿煤矸石为测试样品,用粒级组成分析测定煤矸石颗粒组成尺寸及含量,测试方法为振筛筛分法。采用7种不同的孔径进行筛分,分别为0.15、0.3、0.6、1.18、2.36、4.75、9.5 mm。试验前,将煤矸石样品在鼓风干燥箱中干燥,直到恒重为止。振动时,每次取样2 kg,时间为15 min,直至每一级筛网筛余部分未发生较大变化为止,最后,将所有分级后的煤矸石样品收集分类、干燥,计算收率。振筛结果见表1。
表1 煤矸石筛分粒级分布测试结果
式中:MX为细度模数。
经计算,煤矸石样品细度模数MX=4.137,略高于天然粗砂。
1.2.1 试验步骤
煤矸石、粉煤灰(采用煤油介质)密度测定依据标准为冶标Y B-373-75。
试验步骤如下:①将25 ml的比重瓶用洗液洗净,烘干之后,用感量为万分之一克的天平称量,得比重瓶的质量m1;②取已烘干的试样放入瓶中,试样装入量为容积的1/3左右,称出瓶和试样的质量m2;③向瓶内注入蒸馏水(煤油),达容积的2/3,在热水浴中煮沸,除去试样上附着的气泡。经静置冷却后,再将蒸馏水注满至瓶口,塞上瓶塞,使水(煤油)从瓶塞上的毛细管中溢出,才说明瓶中已装满水(煤油)。擦干瓶外的水分,称比重瓶、试样及水(煤油)的质量为m3;④从瓶中倒出水(煤油)和试样,洗净后装满蒸馏水(煤油),称瓶和水(煤油)的质量m4。计算公式:
式中:ρo为物料的真密度,g/cm3;m1为比重瓶的质量,g;m2为比重瓶和试样的质量,g;m3为比重瓶、试样和水(煤油)的质量,g;m4为比重瓶和水(煤油)的质量,g;ρ'为介质的密度,g/cm3。
1.2.2 试验结果
通过3次真密度试验取平均值测定锦丘煤矿煤矸石、粉煤灰的真密度,测定结果见表2、表3所示。
采用Philips Achieva3.0T磁共振仪对所有患者实施MR检查,在检查前4~6h内需禁食。患者膀胱适度充盈,在检查时保持仰卧位,扫描范围包括耻骨联合至脐部,行横断面、冠状位及矢状位扫描。参数设定:T1WI:TR 120ms~160ms,TE13ms,翻转角角度为70°;T2WI:TR 3000ms~5000ms,TE 95ms~120ms,层厚为5mm~7mm,间隔1mm,矩阵为320×256,视野23×23cm2,采集1至3次。MR检查结果由科室两名资深医师负责判断,分析并记录不同不同病灶的信号特征,并判断病变性质,与手术证明进行比较[3]。
表2 煤矸石真密度测试结果
表3 粉煤灰真密度测试结果
由表可知,煤矸石真密度为2.595 g/cm3,粉煤灰真密度2.469 g/cm3。
取已经烘干的煤矸石、粉煤灰样品,测定堆密度依据建筑用砂国家标准:G B/T14684-2011,经3次测试取平均值,测得锦丘煤矿煤矸石样品的堆密度为1.097 g/cm3,详细数据见表4、表5。
表4 煤矸石堆密度的测试结果
表5 粉煤灰堆密度的测试结果
空隙率依据建筑用砂国家标准:G B/T 14684-2011。计算公式:
式中:n为空隙率,%;γ为试样的堆密度,kg/m3;ρo为试样的真密度,kg/m3
根据试验数据和空隙率计算公式,锦丘煤矿煤矸石的空隙率为47.67%,粉煤灰的空隙率结果为79.59%。
1)筛分后的锦丘煤矿粉煤灰粒度组成,+4.75 mm占30.49%,-1.18 mm以下占了17.72%。测得煤矸石细度模数MX=4.137,且破碎后,粒度属于细碎石。
2)测得锦丘煤矿煤矸石真密度为2.595 g/cm3,粉煤灰真密度为2.469 g/cm3。
3)测得锦丘煤矿煤矸石空隙率为47.67%。粉煤灰的空隙率结果为79.59%。
2)胶凝材料:水泥(矿方提供)。
3)水:煤矸石澄清水及自来水。
充填料浆浓度是决定充填开采技术成功与否的重要指标之一,需要满足料浆在管道内的流动性要求,避免堵管,降低料浆管路运输成本[4-7]。根据前期小样试验表6结果分析可得,浓度为76%时,可以满足泵送要求,拟定配比试验浓度为76%。
表6 浓度76%、79%充填配比试验结果
骨料的级配条件是影响充填体强度的重要因素[8-9]。在锦丘煤矸石、粉煤灰性能测定的基础上,通过采用不同配比,进行塌落度、泌水率、屈服应力等试验,使充填体达到膏体状,以此满足充填泵送的前提要求[10];然后在室内进行充填体试块制作,测定养护期分别为1、3、7、28 d时的充填体单轴抗压强度(28 d≧3.3 MPa),然后通过技术经济综合分析,得到锦丘煤矸石、粉煤灰胶结充填的最优配比参数。
根据小样试验结果,根据单位体积下不同的煤矸石、粉煤灰、水泥、水用量,设计配比试验方案,其中煤矸石、粉煤灰骨料,水泥作为胶凝材料,煤矸石和粉煤灰用量比为5∶1;单位体积水泥用量为0.23、0.25、0.27 t/m3,浓度为76%。由于井下环境阴冷潮湿,充填体经常受到淋水[11]。为了尽量模拟真实井下环境,采用恒温恒湿养护箱进行养护,以确保试验结果的准确性,湿养护箱的温度保持在20°~24℃之间,湿度为92%。
配比试验的目的是确定胶凝材料(水泥)和骨料(煤矸石和粉煤灰)充填最优配比参数,包括每方胶凝材料用量、骨料用量、质量浓度等。试验结果见表7,单轴抗压强度如图2所示。
表7 煤矸石、矿方水泥胶结充填配比试验结果
图2 76%浓度不同水泥用量强度指标
分析可得:当煤矸石和粉煤灰用量比为5∶1时、单位体积水泥用量为0.23~0.27 t/m3、浓度76%时,为最佳配比,既满足易和性,也满足泵送和抗压强度的要求,且7 d强度满足大于3.3 MPa的要求,28 d强度最小5.78 MPa高于3.3 MPa的要求。
1)锦丘煤矿筛分后粉煤灰粒度组成为:+4.75 mm占30.49%,-1.18 mm以下占了17.72%。煤矸石细度模数MX=4.137,煤矸石破碎后粒度略高于天然粗砂。
真密度测定值为2.595 g/cm3,粉煤灰真密度为2.469 g/cm3。煤矸石空隙率为47.67%,粉煤灰的空隙率结果为79.59%。
2)煤矸石和粉煤灰的最佳配比为5∶1,单位体积水泥用量为0.23~0.27 t/m3,浓度为76%,此时既满足易和性,也满足泵送和抗压强度的要求,且试验所用煤矸石、粉煤灰胶结充填浆体泌水率都小于2%,说明试验所取浓度较高,达到膏体充填的目标。