煤矸石基混凝土在井下巷道硬化工程中的应用试验

申海生，和卫红，赵春洲，吴秉臻，陆银龙

(1.山西潞安矿业集团慈林山煤业有限公司李村煤矿，山西 长治 046604；2.中国矿业大学 深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，江苏 徐州 221116；3.中国矿业大学 力学与土木工程学院，江苏 徐州 221116)

随着煤炭行业生产能力的不断扩大，每年我国都会排放大量的煤矸石废弃物，截至目前煤矸石的累计排放量超过45亿t，已经成为了较大的固体废弃物之一[1-4]。煤矸石的排放与堆积对我国的环保形势提出了更严峻的挑战，在其排放时有害物质会对土壤或水源产生侵蚀，更会造成大气污染影响当地的空气质量[5-8]；在其大量堆积时，不仅会占用大量土地资源，而且极易发生自燃或地质灾害[9-11]。目前，我国对于煤矸石综合利用的应用与研究尚未成熟，如何将煤矸石变废为宝，已成为亟需解决的一个难题。

生产煤矸石基混凝土是煤矸石再生利用的途径之一[12-14]。现有的研究成果表明，由于煤矸石的自身特性，使用煤矸石作为粗骨料配制出的煤矸石基混凝土强度较低，严重限制了其使用范围。深入开展煤矸石基混凝土的研究与现场应用试验，对于缓解环境污染的压力，改善我国煤炭企业的环保形象具有重要作用。

近年来，国内外专家学者对于煤矸石基混凝土的利用进行了大量的试验与研究。王亮等[15]以煤矸石作为细骨料制备出煤矸石混凝土，研究了混凝土的强度，对其耐久性做出了评价；张林春等[16]制备出了掺煤矸石泡沫混凝土，探究了煤矸石泡沫混凝土的基本力学性能；赵旭东等[17]以煅烧煤矸石为掺合料制备出了一种生态型混凝土，并对其长期性能及水化特性进行了研究。但这些研究大多数没有应用于现场工程。因此，进行煤矸石基混凝土在井下硬化中的应用试验具有重要意义。

以山西李村煤矿排放的煤矸石为粗骨料，拟研究煤矸石的基本性质，探究不同配合比下的煤矸石基混凝土的基本力学性能，并且使用最佳配合比方案在现场开展井下硬化试验。

1 工程地质概况

山西李村煤矿煤层埋藏深度500 m左右，试验地点二采区的地面标高为+938～+947 m，井下标高为+382～+426 m。回采煤层为3#煤层，颜色为黑色，煤岩类型主要为半亮型，属不易自燃煤层。煤层平均厚度为4.65 m，倾角为2°～8°，二采区煤层顶底板岩性柱状图如图1所示。

图1 煤层顶底板柱状图

井下硬化地点李村煤矿二采区胶带巷5#辅运联巷位于二采区胶带巷里程800 m处，南临二采区 1#回风巷，北靠二采区胶带巷，西侧为南翼胶带大巷，周边均为未采区。该巷道设计长度60.7 m(设计平距)，断面为矩形，宽6 000 mm，高4 500 mm，掘进断面为27 m2，巷道断面如图2所示。

图2 二采区胶辅联巷断面示意图

2 煤矸石基本性能测试

2.1 煤矸石粗骨料级配测试

粗骨料的颗粒级配测试是混凝土配制前的重要一环，在利用现场的煤矸石时必须对其进行级配测试以保证其适配国标规定。试验所用的煤矸石取自李村煤矿末矸仓，粒径适中，针片状颗粒较少。

1)普通石子级配测试

取3组普通石子试样(编号1、2、3)进行粗骨料颗粒级配测试，试样采用4.75～31.50 mm的连续级配，使用标准方孔筛筛分，筛孔公称直径为31.50、19.00、4.75、2.36 mm，其规格和质量符合现行国家标准，使用电子天平称出筛余质量，结果如表1 所示。

表1 普通石子筛分结果

筛分后的石子见图3，石子粒径在4.75～9.50 mm间的骨料质量百分比，稍高于JGJ 52—2006《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》的要求(70%～90%)。

图3 筛分后的石子颗粒形状

2)煤矸石粗骨料级配测试

取3组煤矸石试样进行粗骨料颗粒级配测试，结果如表2所示。

表2 煤矸石筛分结果

筛分后的煤矸石粗骨料见图4，煤矸石粒径大于31.50 mm的骨料质量百分比，稍高于标准JGJ 52的要求(0～5%)。其他煤矸石粒径级配测试结果满足粗集料标准级配要求。

图4 筛分后的煤矸石颗粒形状

2.2 煤矸石骨料成分测试

煤矸石由多种沉积岩组成，不同种类的沉积岩又由不同的矿物成分组成[18]。高岭石、地开石、白云母、黑云母、长石、石英等是煤矸石中的主要矿物成分[19]。

试验所用仪器为德国布鲁(Bruker)公司的D8 Advance X射线衍射仪，按照试验要求将李村煤矿的新鲜原状煤矸石磨粉后，用325目方孔筛筛分，对筛选出的粉状煤矸石进行XRD图谱分析，分析结果如图5所示。从分析测试结果来看，李村煤矿煤矸石的主要矿物成分为石英、高岭石、多水高岭石、白云石及云母类矿物。

图5 XRD测试结果

2.3 煤矸石骨料压碎值测试

按标准规定取样，将煤矸石试样风干后筛选，保留9.5～19.0 mm的煤矸石颗粒，并去除其中的针片状颗粒，称取3份3 kg的煤矸石。将压力试验机的加载速度设置为1 kN/s，匀速加载至200 kN，5 s后卸载。将试样用孔径2.36 mm的方孔筛筛掉被压碎的煤矸石颗粒，最后称取筛中煤矸石的质量(精确至1 g)，测试过程见图6。计算后发现煤矸石的压碎值指标为28%，约为普通碎石的2倍。

图6 压碎值测试现场

3 煤矸石基混凝土基本力学性能测试

3.1 试验原材料

水泥选用PO42.5R普通硅酸盐水泥；水为自来水；煤矸石粒径4.75～19.00 mm；石子粒径9.50～19.00 mm；河砂为中砂；减水剂为聚羧酸减水剂，其基体主要为白色粉末状的改性聚羧酸盐，减水率30%左右；添加剂选用硅灰，其中二氧化硅SiO2质量分数为96%，平均粒径0.1～0.3 μm。

3.2 煤矸石基混凝土配合比设计

本研究选取了0.3、0.4和0.5共3种不同水胶比(质量比)进行煤矸石基混凝土配合比设计，其对应的混凝土强度等级为C30、C40和C50。混凝土配合比按照普通混凝土要求设计，3种配比具体参数见表3。

表3 混凝土基准配合比(质量比)

组别1使用煤矸石代替部分粗骨料后配制出的混凝土预计可作为C25混凝土使用。为了进一步增加煤矸石基混凝土的强度，对现场使用的混凝土配合比进行调整，在加入了适量的硅灰及减水剂后设计组别2、3进行试验，减水剂掺量根据试配确定为胶凝材料质量的0.3%，硅灰掺量为胶凝材料质量的5%；为研究煤矸石作为粗骨料替换全部或部分石子对混凝土力学性能的影响，选取煤矸石粗骨料的质量替代率分别为0(粗骨料全为石子)、25%、50%、75%和100%(粗骨料全为煤矸石)。

3.3 煤矸石混凝土立方体抗压强度测试

混凝土试件依据GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》的要求来进行设计制作，混凝土立方体试件边长为150 mm，在正式配制混凝土之前，进行了混凝土的试配，确定减水剂的用量。每次配制12个标准试件，3个为一组，分别用于测试试件3、7、14、28 d抗压强度。

混凝土配制前要向搅拌机内洒水，湿润搅拌机；搅拌机内部分别倒入粗骨料(煤矸石、石子)、细骨料(砂)，搅拌3 min，关闭搅拌机；将胶凝材料(水泥、硅灰)倒入搅拌机，充分混合搅拌3 min；将各组所需减水剂倒入称量好的自来水中均匀混合，缓慢倒入搅拌机内，继续搅拌3 min后关闭搅拌机；混凝土拌匀后将边长为150 mm的正方体模具均匀涂抹脱模剂，将拌匀的混凝土倒入模具中，放在振动台上振动30 s；最后将试件的上表面整理平整，放入养护箱，在混凝土的标准条件下养护；24 h后拆除模具，继续将混凝土试件养护至试验日期。

煤矸石基混凝土立方体试件使用中国矿业大学YAW-300型压力试验机进行抗压试验。试验时用润滑剂将压板表面涂抹均匀，混凝土试件与试验机上下压板的中心点对准，连续而均匀地施加0.3 MPa/s的压力，直至试件被压坏。

在加载初期，煤矸石基混凝土与普通混凝土试件表面均出现开裂现象，随着压力的不断增大，观察到煤矸石基混凝土试件表面首先出现裂缝，裂缝从试件的中部开始向四周发展延伸直至试件的两端。继续加载，表面的混凝土开始外鼓、剥落，试件边角的表面首先剥落，随后4个侧面成块剥落，最终的破坏形态为棱台或棱锥形状。

从试件最终的破坏形态来看，普通混凝土试件主要在粗骨料与水泥的界面处发生破坏；煤矸石基混凝土试件破坏不仅在界面处发生破坏，部分煤矸石粗骨料本身也产生了断裂破坏。这主要是由于部分煤矸石粗骨料压碎值较大且自身强度较弱，所以煤矸石基混凝土会在强度较低的煤矸石粗骨料上发生断裂、贯穿破坏。部分煤矸石基混凝土试件破坏前后的形态对比如图7所示。

(a)破坏前 (b)破坏后

3.4 试验结果分析

C50煤矸石基混凝土立方体抗压强度测试结果见表4，试验结果按照不同的煤矸石替代率r进行分组。

表4 C50煤矸石基混凝土立方体抗压强度试验结果

煤矸石基混凝土立方体抗压强度随养护时间的变化曲线如图8所示。

(a)C30混凝土

由图8可以看出，煤矸石基混凝土的抗压强度在各个时期均低于普通混凝土强度；加入的硅灰、减水剂有助于迅速提高煤矸石基混凝土的前期强度。

煤矸石基混凝土立方体抗压强度随养护时间的变化规律与普通混凝土的相似，抗压强度在养护至3～7 d时可以达到设计强度的50%左右，抗压强度迅速增大；继续养护至14～28 d时，抗压强度增速逐渐放缓，小于50%替代率的煤矸石基混凝土的抗压强度已接近设计强度的100%，大于50%替代率的煤矸石基混凝土抗压强度至少可以达到设计值的75%。根据以上结果可以预见养护至28～90 d时的抗压强度增大较少，最终曲线会达到平缓状态[20]。

不同煤矸石粗骨料替代率下煤矸石基混凝土 28 d 抗压强度的变化规律如图9所示。

图9 煤矸石粗骨料取代率对28d抗压强度的影响

由图9可以看出，3种不同设计强度的煤矸石基混凝土抗压强度都随着替代率r的增大而减小；当设计强度为C30时，只有普通混凝土养护28 d抗压强度可以达到30 MPa以上；设计强度为C40、C50时，r为25%、50%的煤矸石基混凝土养护28 d抗压强度可以达到相应的设计强度。在现场应用中，要结合实际需要选择符合要求的方案。

结合煤矸石粗骨料的替代率、水胶比，以及其他影响因素对煤矸石基混凝土抗压强度的影响研究结果，发现由于煤矸石粗骨料自身性能的不足，在煤矸石基混凝土实际使用时可以添加一定量可以提高其强度的胶凝材料(硅灰等)或按照普通混凝土配合比设计降低一个等级使用。

4 煤矸石基混凝土井下硬化试验

4.1 井下试验施工方案

根据实验室试验的结果，综合考虑施工期限与通行胶轮车时间等条件，选取设计强度为C50、替代率为50%的煤矸石基混凝土方案进行巷道底板硬化试验。现场硬化方案养护7 d混凝土抗压强度可以达到40 MPa以上，方案配合比见表5。

表5 现场硬化方案配合比(质量比)

硬化段长度40 m、宽度6 m，硬化厚度为20 cm。施工顺序依次为准备工作→安检→清理底板→出渣→相关部门验收→浇筑→进入下一循环。在施工前将施工用的振动棒、小推车、铁抹子等器具准备齐全，保证巷道内无淤泥、无杂物，符合硬化要求后再进行硬化施工。

井下硬化时严格按照配合比进行施工，部分井下硬化用料形态如图10所示。在地面根据配合比用电子秤称量出各种原料的掺量，并标好刻度位置，以桶为计量单位向搅拌机内加料搅拌。

(a)减水剂 (b)砂

利用搅拌机按照混凝土配合比进行拌料，必须搅拌均匀，严格按照配合比进行拌料，用小推车把混凝土料运送到硬化铺底地点，每5～10 m浇筑一次，待初凝后，对混凝土地坪进行找平、压光。

4.2 试验效果

李村煤矿二采区胶带巷5#辅运联巷采用煤矸石基混凝土硬化长度40 m、宽度6 m、厚度20 cm，硬化后不同时间的效果如图11所示，硬化后的巷道底板表面光滑平整，无孔隙裂缝。

(a)1 d (b)3 d

硬化段施工完成3 d后料车可通行，与相邻的硬化路段相比通车提前5 d；7、14 d检查效果良好，硬化段地面完整，无开裂现象，硅灰的加入提高了煤矸石基混凝土的前期强度，同时也一定程度上增强了混凝土表面的耐磨性及耐久性。

5 结论

1)通过实验室对不同配合比的煤矸石基混凝土的性能分析，结合李村煤矿二采区胶带巷5#辅运联巷的井下硬化试验结果，对李村煤矿的煤矸石基本组成成分和压碎值进行了测试。结果表明，李村煤矿的煤矸石主要由石英、高岭石及云母类矿物组成，压碎值约为普通石子的2倍。

2)设计了3种不同配合比的煤矸石基混凝土试验方案，总结了煤矸石基混凝土的破坏规律和抗压性能：煤矸石基混凝土会在煤矸石粗骨料上发生断裂破坏；加入一定量的硅灰、减水剂或者采用较小的煤矸石替代率有助于迅速提高煤矸石基混凝土的前期强度；煤矸石基混凝土立方体抗压强度随养护时间的变化规律与普通混凝土的相似，前期强度不断增大，后期强度曲线达到平缓状态。

3)根据现场施工需要，选择了最佳方案并进行了井下硬化试验，将不同原材料分别使用各自量具量化掺加，保证了井下硬化施工作业的精细化。试验结果表明，采用煤矸石基混凝土一定程度上增大了混凝土的前期强度，在满足现场硬化需要的同时使部分煤矸石得到了有效利用。