煤矿采空区膏体充填材料制备试验研究.pdf

★洁净利用与深加工★ 移动扫码阅读 引用格式李绪萍,林庆博,张金山􀆱煤矿采空区膏体充填材料制备试验研究 [J]􀆱中国煤炭,２ ０ ２ ０,４ ６８ ９ ６－ ９ ９ 􀆱 L iX u p i n g,L i nQ i n g b o,Z h a n g J i n s h a n 􀆱E x p e r i m e n t a l s t u d yo np a s t e f i l l i n gm a t e r i a l p r e p a r a t i o n i nc o a lm i n e g o a f[J]􀆱C h i n aC o a l,２ ０ ２ ０,４ ６ ８ ９ ６－９ ９ 􀆱 煤矿采空区膏体充填材料制备试验研究 李绪萍 林庆博 张金山 内蒙古科技大学矿业研究院,内蒙古自治区包头市,０ １ ４ ０ １ ０ 摘 要 以煤矸石和粉煤灰为原料、电石渣为外加剂,通过试验得到了适合内蒙古乌海 某煤矿采空区膏体充填材料的优势配比.保持充填浆料的质量浓度为６ ７％,当煤矸石、粉 煤灰、水泥和外加剂的质量比为１ ４∶１ ０∶２∶３时所形成的充填体,２ ８d单轴抗压强度为 ５ 􀆱 ７ １MP a,可以满足该矿最低充填强度的需求.试验中采用外加剂中的氢氧化钙作为碱性 激发剂,用以激发粉煤灰的活性;选用的粉煤灰含有大量的硫酸钙,会和氢氧化钙与活性氧 化铝发生反应生成钙矾石,产生胶凝作用,从而形成良好的充填强度. 关键词 煤矿采空区 膏体充填 材料制备 固废利用 中图分类号 T D ８ ２ 文献标识码 A E x p e r i m e n t a l s t u d yo np a s t e f i l l i n gm a t e r i a l p r e p a r a t i o n i nc o a lm i n eg o a f L iX u p i n g,L i nQ i n g b o,Z h a n gJ i n s h a n M i n i n gI n s t i t u t e,I n n e rM o n g o l i aU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y,B a o t o u,I n n e rM o n g o l i a０ １ ４ ０ １ ０,C h i n a A b s t r a c t W i t hc o a l g a n g u ea n df l ya s ha sr a w m a t e r i a l sa n dc a r b i d es l a ga sa d d i t i v e,t h es u p e r i o rp r o p o r t i o no fp a s t e f i l l i n g m a t e r i a l s u i t a b l e f o rac o a lm i n eg o a f i nW u h a i o f I n n e rM o n g o l i aw a so b t a i n e dt h r o u g he x p e r i m e n t s 􀆱T h em a s sc o n c e n t r a t i o no f t h e f i l l i n gs l u r r yw a sk e p t a t ６ ７％,a n dw h e nt h em a s sr a t i oo f g a n g u e,f l ya s h,c e m e n t a n da d d i t i v eo f t h e f i l l i n gb o d yw a s１ ４∶ １ ０∶２∶３,i t s ２ ８ Ｇ d a yu n i a x i a l c o m p r e s s i v e s t r e n g t hw a s ５ 􀆱 ７ １MP a,w h i c hc o u l dm e e t t h em i n i m u mf i l l i n gs t r e n g t hr e q u i r e m e n t o f t h em i n e 􀆱I nt h e e x p e r i m e n t,C aOH２i na d d i t i v ew a su s e da sb a s i c a c t i v a t o r t os t i m u l a t e t h e a c t i v i t yo f f l ya s h,f u r t h e r m o r e, t h e f l ya s hs e l e c t e d i nt h ee x p e r i m e n t c o n t a i n e da l a r g ea m o u n to fC a S O４,w h i c hw o u l dr e a c tw i t hC aOH２a n da c t i v eA l２O３t o f o r me t t r i n g i t ea n dp r o d u c ec e m e n t a t i o n,t h u s f o r m i n gg o o df i l l i n gs t r e n g t h 􀆱 K e yw o r d s c o a lm i n eg o a f,p a s t e f i l l i n g,m a t e r i a l p r e p a r a t i o n,s o l i dw a s t eu t i l i z a t i o n 随着煤炭资源逐渐减少, “ 三下”采煤问题日 益严峻[ １].一般 “ 三下”压煤的采煤方法成本高、 效率低、浪 费 严 重[ ２],且 不 能 有 效 控 制 地 表 沉 陷[ ３].目前,国内大多数矿井均采用充填开采法解 决相应问题[ ４－５]. 内蒙古乌海某煤矿６号煤层８ ０％属于 “ 三下” 煤炭资源,充填区域位于工业广场东侧压煤区,东 西长 约２ ７ ０ m,南 北 宽 约２ ３ ６ m,平 均 厚 度 为 １ ０ 􀆱 ４m,煤层产状平缓,埋深平均约１ ８ ５m.煤层 基本顶为中粒砂岩,厚度为２ ２ 􀆱 ４m,岩性特性为 灰白色,质地坚硬,具有水平波纹状层理;直接顶 为泥岩,厚度为２ 􀆱 ６m,岩性特性为上部灰色、细 腻,中部浅灰色,可见植物化石;直接底为粉砂质 泥岩,厚度为１ 􀆱 ２ m,岩性特性为深灰色至灰黑 色,赋存均匀,可见植物化石;基本底为粗砂岩, 厚度为１ ８ 􀆱 ８m,岩性特性为灰白色粗砂岩,主要 ６９ 中国煤炭第４ ６卷第８期２ ０ ２ ０年８月 成分为石英.笔者以粉煤灰为细料、煤矸石为骨 料、含量为７％的水泥作为胶结料、电石渣为外加 剂,通过大量试验制成了膏体充填材料,并进行了 试样制备和性能测试,表明此种材料可以作为采空 区充填材料使用,可以满足该煤矿对充填体２ ８d 最低抗压强度５ 􀆱 ３MP a的要求. １ 充填材料原料的理化性质分析 １ 􀆱 １ 粉煤灰的理化性质分析 试验用粉煤灰取自内蒙古乌海神华火力发电 厂,氧化钙含量较高,属于C类粉煤灰,含水率 为１ 􀆱 ９ ３％,烧失量为１ 􀆱 ６ ８ ５％.利用X R D分析了 粉煤灰的矿物成分,测试条件为C u靶,K a辐射, 扫描角度为１ ０ ６ ０ ,扫描速度为０ 􀆱 ０ ２ /s,电压 为１ ０k V,电流为１ ０ ０mA.粉煤灰X R D衍射图谱 如图１所示. 图１ 粉煤灰X R D衍射图谱 由图１以 看 出,该 种 粉 煤 灰 的 主 要 成 分 为 C a S O４和S i O２. １ 􀆱 ２ 煤矸石的理化性质分析 试验所用煤矸石的粒径为０１ ０mm的不规则 块状体,采 自 内 蒙 古 乌 海 某 煤 矿,其 含 水 率 为 ０ 􀆱 ９ ２％,烧失量为１ ２ 􀆱 ９ ６ １％.煤矸石的X R D衍射 图谱如图２所示. 由图２可以看出,该煤矸石主要由高岭土和 S i O２构成. １ 􀆱 ３ 外加剂的理化性质分析 试验选取的外加剂为电石渣,其中C aOH ２ 含量较高,所以能与粉煤灰结合发生火山灰反应, 从而可以显著提高充膏体的强度.试验选用外加剂 的含水率为６ 􀆱 ４ ７％,利用X R D分析了其矿物组 成,外加剂的X R D衍射图谱如图３所示. 图２ 煤矸石的X R D衍射图谱 图３ 外加剂的X R D衍射图谱 由图３可以看出,外加剂主要由C aOH ２构 成. ２ 膏体充填材料配比试验 ２ 􀆱 １ 试验方案 试验选用材料为标号３ ２ ５的普通硅酸盐水泥、 粉煤灰、煤矸石、外加剂,在室温为２ ４℃、相对 湿度为４ ０％的条件下采用当地自来水进行制浆, 将搅拌好的充填浆液倒入尺寸为７ ０mm７ ０mm ７ ０mm的三联试模,根据该煤矿实验室提供的 配方,制成标准试块若干.１d后进行脱模,将试 块放在室温为２ ４℃的条件下覆膜养护,２ ８d后采 用压力试验机进行单轴抗压试验,每组配方均有３ ７９ 煤矿采空区膏体充填材料制备试验研究 个平行样本,测试结果取平均值. 由于该煤矿对充填浆料的质量浓度有要求,因 此为了研究不同组分配方对充填材料性能的影响, 得出 最 佳 材 料 配 比,保 持 充 填 浆 料 质 量 浓 度 为 ６ ７％的条件下分别改变粉煤灰、水泥、外加剂掺量 后对充填体性能进行测试. ２ 􀆱 ２ 试验结果及分析 ２ 􀆱 ２ 􀆱 １ 粉煤灰掺量对膏体充填体性能的影响 试验 保 持 煤 矸 石、水 泥、外 加 剂 质 量 比 为 １ ４∶１∶１不变,逐渐减少粉煤灰含量,测试不同粉 煤灰含量对膏体充填体性能的影响,共计９组配 方,现选取有代表性的５组配方进行对比,对A 组试验材料配比及２ ８d单轴抗压强度进行测试, 粉煤灰掺量对膏体充填体性能的影响见表１. 表１ 粉煤灰掺量对膏体充填体性能的影响 编号 材料配比 煤矸石粉煤灰水泥外加剂 ２ ８d单轴抗 压强度/MP a A １１ ４１ ４１１２ 􀆱 ８ ５ A ２１ ４１ ２１１３ 􀆱 １ ０ A ３１ ４１ ０１１３ 􀆱 ２ ６ A ４１ ４８１１２ 􀆱 ９ ６ A ５１ ４６１１２ 􀆱 ４ ２ 由表１可以看出,当煤矸石、水泥和外加剂含 量不变且浆料质量浓度为６ ７％时,２ ８d单轴抗压 强度随着粉煤灰含量的减少而先增大后减小,可以 看出A ３组配方的抗压强度明显较好. ２ 􀆱 ２ 􀆱 ２ 水泥掺量对膏体充填体性能的影响 试验保持煤矸石、粉煤灰、外加剂质量比为 １ ４∶１ ０∶１不变,改变水泥掺量,测试不同水泥含 量对膏体充填体性能的影响,共计７组配方,现选 取有代表性的５组配方进行对比,对B组试验材 料配比及２ ８d单轴抗压强度进行测试,水泥掺量 对膏体充填体性能的影响见表２. 表２ 水泥掺量对膏体充填体性能的影响 编号 材料配比 煤矸石粉煤灰水泥外加剂 ２ ８d单轴抗 压强度/MP a B １１ ４１ ０１ 􀆱 ５１３ 􀆱 ３ ５ B ２１ ４１ ０２ 􀆱 ０１３ 􀆱 ６ ４ B ３１ ４１ ０２ 􀆱 ５１４ 􀆱 １ ５ B ４１ ４１ ０３ 􀆱 ０１４ 􀆱 ７ ７ B ５１ ４１ ０３ 􀆱 ５１５ 􀆱 ２ ３ 由表２可以看出,当煤矸石、粉煤灰和外加剂 含量不变且浆料质量浓度为６ ７％时,２ ８d单轴抗 压强度随水泥含量的增大而增大,且增量显著.由 此看出普通硅酸盐水泥在制备膏体充填材料上起到 了至关重要的作用,但出于成本考虑,充填膏体中 水泥的掺量适量即可,因此选取B ２组配方的水泥 掺量. ２ 􀆱 ２ 􀆱 ３ 外加剂掺量对膏体充填体性能的影响 由于外加剂中C aOH ２含量较高,易与粉煤 灰发生水化反应,激活粉煤灰的活性.因此试验保 持煤矸石、粉煤灰、水泥质量比为１ ４∶１ ０∶２不 变,改变外加剂掺量,测试不同外加剂含量对膏体 充填体性能的影响,共计５组配方,对C组试验 材料配比及２ ８d单轴抗压强度进行测试,外加剂 掺量对膏体充填体性能的影响见表３. 表３ 外加剂掺量对膏体充填体性能的影响 编号 材料配比 煤矸石粉煤灰水泥外加剂 ２ ８d单轴抗 压强度/MP a C １１ ４１ ０２２ 􀆱 ０４ 􀆱 ５ ２ C ２１ ４１ ０２２ 􀆱 ５５ 􀆱 ２ ７ C ３１ ４１ ０２３ 􀆱 ０５ 􀆱 ７ １ C ４１ ４１ ０２３ 􀆱 ５５ 􀆱 ９ ３ C ５１ ４１ ０２４ 􀆱 ０６ 􀆱 ０ ２ 由表３可以看出,当煤矸石、粉煤灰和水泥含 量不变且浆料质量浓度为６ ７％时,２ ８d单轴抗压 强度随着外加剂含量的增大而增大,其中C ３组试 验结果与C ２组试验结果相比强度明显增加;C ４组 试验结 果 与C ３组 试 验 结 果 相 比,虽 然 增 加 了 １ ６ 􀆱 ７％的外加剂掺量,但试验结果强度仅有小幅度 提升,因此从经济角度考虑选取C ３组配方. ２ 􀆱 ３ 充填材料最优配比 通过大量配比试验综合多方面技术因素得出结 论,浆料质量浓度为６ ７％时,煤矸石、粉煤灰、 水泥、外加剂质量比为１ ４∶１ ０∶２∶３,可作为充 填材料的最优配比. ２ 􀆱 ４ 充填材料成本计算 以乌海当地材料价格作为参考,标号３ ２ ５普通 硅酸盐水泥的价格为１ ２ ２元/t,外加剂的价格为 １ ０ ０元/t,煤矸石与粉煤灰由乌海某煤矿与乌海火 力发电厂免费提供.按照试验所得最优充填配比, 经计算可得充填材料成本为１ ８ 􀆱 ７ ５元/t.乌海某煤 矿充填所用各组分材料均来自当地煤矿和火力发电 厂,因此运输费用较低,且水泥用量较少,总成本 ８９ 中国煤炭第４ ６卷第８期２ ０ ２ ０年８月 低廉.可为国内同类型煤矿提供借鉴. ３ 粉煤灰活性激发与水化反应机理 一般来说,粉煤灰只具有潜在的火山灰活性, 需要在激发的条件下激发粉煤灰活性,激发方法通 常有 “ 物理激发” “ 化学激发” “ 热激发” [６] ３种. 本试验选择效果最好的化学激发方法进行试验. 试验中采用外加剂中的C aOH ２作为碱性激 发剂,用以激发粉煤灰的活性,粉煤灰中的S i O A l、S i O S i和A l OA l在碱性条件下断裂 形成游离的不饱和活性键,使活性的S i O２和A l ２O３ 溶出,形成不同的络合物[ ７];且本试验中选用的粉 煤灰含有大量的C a S O４,会和C aOH ２与活性 A l２O３发生反应生成钙矾石,产生胶凝作用,同时 形成碱激发和硫酸盐激发[ ８]. 粉煤灰与水泥中的可溶性成分在水中溶解,产 生大 量 阴 离 子 和 阳 离 子 并 发 生 化 学 反 应,生 成 C aOH２等水化产物,产生大量的热量,形成良 好的温度条件.随着养护龄期的增长,该反应持续 进行并进入粉煤灰内部,形成更多的水化产物,使 得孔隙度降低,充填材料结构致密性增加,物理力 学性能逐渐增强,直到粉煤灰中的活性物质完全水 化[ ９]. ４ 结论 １以煤矸石、粉煤灰、水泥和外加剂为主要 原料进行膏体充填材料制备试验,使用粉煤灰、煤 矸石等固体废弃物作为矿井充填材料的原料,可以 节约生产成本. ２内蒙古乌海某煤矿采空区充填体２ ８d强 度要 求 最 低 为５ 􀆱 ３ MP a、充 填 浆 料 质 量 浓 度 为 ６ ７％.试验在满足其浆料质量浓度的条件下,制备 了煤矸石、粉煤灰、水泥、外加剂质量比为１ ４∶ １ ０∶２∶３时所形成的充填体,其２ ８d强度达到 ５ 􀆱 ７ １MP a,达到该煤矿最低充填强度的需求. ３粉煤灰只有通过外加剂激发其活性才能更 好的表现出其胶凝作用,外加剂中的氢氧化钙含量 较高,可以作为碱性外加剂,试验选用粉煤灰含有 大量硫酸钙,同时发生硫酸盐激发,对于粉煤灰的 火山灰反应活性有较强的促进作用. 参考文献 [ １] 王丽红,鲍爱华,罗园园􀆱中国充填技术应用与展 望 [ J]􀆱矿业研究与开发,２ ０ １ ７,３ ７３ １－７ 􀆱 [ ２] 吴爱祥,杨莹,程海勇,等􀆱中国膏体技术发展现 状与趋势 [ J]􀆱工程科学学报,２ ０ １ ８,４ ０５ ５ １ ７ －５ ２ ５ 􀆱 [ ３] 吴爱祥,王勇,王洪江􀆱膏体充填技术现状及趋势 [ J]􀆱金属矿山,２ ０ １ ６７ １－９ 􀆱 [ ４] 汪振双,孙凯华􀆱矿山黄土膏体充填材料的试验研 究 [ J]􀆱硅酸盐通报,２ ０ １ ４,３ ３６ １ ４ ７ ０－１ ４ ７ ４ 􀆱 [ ５] 雷增民,潘宝峰,张景君,等􀆱国内煤矸石综合利 用现状 [ J]􀆱西部探矿工程,２ ０ １ ３,２ ５９ ７ １－ ７ ４ 􀆱 [ ６] 胡家国􀆱电厂粉煤灰矿山充填胶凝机理研究及水化 反应动力学特性 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