膏体充填材料强度影响因素分析.pdf

第 2 5 卷第 6 期 、 ， o 1 ． 2 5 No ． 6 辽宁工程技术大学学报 J o u ma 1 o f L i a o n i n g T e c h n i c a 1 Un i v e r s i 2 0 0 6年 1 2月 De c ． 2 o 0 6 文章编号；1 0 0 8 0 5 6 2 2 0 0 6 0 6 一 o 9 o 4 0 3 膏体充填材料强度影响因素分析 赵才智，周华强，柏建彪，强辉 中国矿业大学 能源与安全工程学院，江苏 徐州 2 2 1 0 0 8 摘 要 针对影响臂体充填材料强度的因素通过大量的试验，揭示了以河砂为骨料的膏体充填材料强度与各影响因素间的关系 试验结果 表明，影响膏体充填材料强度的主要因素有质量分数、粉煤灰掺量种类以及养护龄期等 相同条件下，膏体充填材料强度与料浆质量分数、粉 煤灰掺量和养护龄期成正比关系。这些结论将为煤矿膏体充填不迁村采煤技术的实施提供 一些参考 关键词膏体充填；强度粉煤灰养护龄期 中图分类号 U 2 7 0 文献标识码 A I n f l u e n c e f a c t o r a n a l y s i s o f p a s t e f i l l i n g ma t e r i a l s t r e n g t h Z HA O Ca i - z h i ，Z HOU Hu a - q i a n g ，B A I J i a n - b i a o ，QI ANG Hu i S c h o o l o f En e r g y S o u r c e a n d S a f e t y En g i n e e r i n g ， CUMT , Xu z h o u 2 2 1 0 0 8 ， Ch i n a Ab s t r a c t Ai mi n g a t t h e f a c t o r s a ff e c t i n g the s t r e n g th o f p a s t e fil l i n g ma t e ria l ， the r e l a t i o n b e t we e n a ffe c t i n g f a c t o r s a n d s tre n g th o f p a s t e fi l l i n g ma t e ri a l i s r e v e ale d o n the b a s i s o f a l o t o f e x p e rime n t s i n the l a b ， i n wh i c h the fiv e r s a n d wa s u s e d a s s k e l e t al ma t e ri a 1 ． Th e t e s t s s h o w t h a t t h e s tre n g t h i s ma i n l y a ffe c t e d b y the s l u r r y d e n s i t y ， t y p e an d d o s a g e o f fly a s h an d c u rin g a g e ． T h e r e a r e d i r e c t p r o p o r t i o n r e l a ti o n b e t we e n the s tre n g th an d a f f e c ti n g f a c t o r s ． T h e c o n c l u s i o n s C an p r o v i d e s o me r e f e r e n c e s f o r t h e p r a c ti c e o f n o n e v i l l a g e r e l o c a t i o n c o al e x t r a c t i o n i n the mi n e ． Ke y wo r d s p a s t e fil l i n g ； s tr e n g th； f l y a s h ； c u rin g a g e 引 言 膏体充填技术是1 9 7 9年在德国的格伦德铅锌 矿首先发展起来的，由于膏体充填具有料浆质量分 数高、充填效率高、成本较低等优点，这项技术试 验成功以后在金属矿山得到较快的发展，在包括中 国在内的许多国家得到应用。膏体充填技术在德国 Wa l l s u m 、 Mo n o p o l等数个煤矿薄煤层开采 中也曾 得到应用，其使用的膏体充填材料是非胶结性的， 没有胶结料，充填的主要目的是处理固体废物。中 国东部地区村庄压煤多数是厚煤层和中厚煤层，沿 用德国煤矿非胶结膏体充填不能够达到不迁村采 煤的要求。所以，必须发展固体废物胶结性膏体充 填。但是，在中国煤炭系统，固体废物膏体充填技 术目 前还处于研究阶段，煤矿不迁村膏体充填与金 属矿山膏体充填相比，在充填材料、充填目的和充 填要求等方面均不相同【l 】 。 膏体充填技术的核心是膏体充填材料，膏体充 填材料的强度对膏体充填的效果起决定作用。因 此，分析膏体充填材料强度的影响因素十分必要。 1 膏体充填材料的组成及性质 为满足济宁太平煤矿厚煤层不迁村分层膏体 充填开采技术的需要，结合当地具体情况，膏体充 填材料主要由膏体胶结料与粉煤灰、泗河砂与水合 理配制而成。膏体胶结料是一类以普通硅酸盐水泥 为基材 占5 0％左右 ，与石膏、石灰和多种外加剂 等科学配制的复合材料。此材料加水混合后，凝结 的初期快速水化生成适当量的高结晶水水化物一 钙矾石 ，其分子式为3 C a O． A1 2 O3 3 C a S O 4 ． 3 2 H 2 O， 结晶水分子容积高达8 1 ． 1 6％，从而达到速凝、早强 的效果 ；凝结的中期和后期，又能够正常水化生成 硅 酸 钙凝胶 等 胶凝 物 质 ，如 3 C a O． 2 S i O2 ． 3 H 2 O， 3 Ca Ot A1 2 03 Ca S O4 - 1 2 Hz O ， 4 Ca O A1 2 03 1 3 H2 0 ， 6 C a O- A1 2 0 3 F e 2 0 3 ． 1 2 H 2 O，C a OH 2等，具有后期 强度持续增长的特点，保证了后期强度的需要。由 于泗河穿过太平煤矿膏体充填试验区，泗河砂又是 当地建筑一般不用的特细砂 ，来源丰富，所 以选泗 河砂为基本集料。泗河砂密度2 ．6 3 t ／ m ，平均粒径 收稿 日期2 0 0 5 ． 1 1 ． 1 O 基金项 目 国家 自然科学纂金资助项 目 5 0 5 7 4 0 8 9 ， 作者简介赵才智 1 9 7 8 ． 男。山西 孝义人，博士研究生，主要从事充填材料方面的研究，E - m a i l z h a o c a i z h i 1 6 3 ． c o m。本文编校；焦丽 维普资讯 第6 期 赵才智等膏体充填材料强度影响因素分析 9 0 5 O ． 2 7 5 m lT l ， 含泥量3 ． 5 ％， 细度模数1 ．3 6 ， 为特细砂。 2 膏体充填材料强度实验 影响膏体充填材料强度的因素很多，如浆体的 质量分数、养护龄期、养护条件 温度、湿度 、 细集料和胶结料的化学组成及用量、骨料级配等 等。结合实际情况。本文考虑了如下几个因素浆 体质量分数、 养护龄期、 细集料种类及用量。 为此， 在实验室进行了系列实验，分析研究了质量分数及 粉煤灰种类、用量对膏体充填材料强度的影响。膏 体胶结料用量5 0 k g ／ m 3 ，质量分数变化范围我为 8 1 ％～ 8 3％粉煤灰用量区间为2 5 0～ 5 0 0 k g ／ m ，分 别选取 山东里彦 电厂 的一级、二级粉煤灰和邹县电 厂 的一 级粉 煤 灰 ， 均系 电厂干 排 灰 。选 用7 ． O 7 c mx 7 ． 0 7 c mx 7 ． 0 7 c m试模 ，对1 d 、3 d 、7 d 这三个 龄期进行强度实验 ，实验在WDW- E 5 0 D 电子万能 试验机上进行。试验结果见表1 ～ 表3 。 表 1浆体质量分数为 8 1 ％ ， 粉煤灰与充填体强度关系 MP a T a b ． 1 r e l a t i o n s h i p b e t we e n fly a s h a n d fi l l i n g b o d y s t r e n g t h w h e n ma s s p e r c e n t i s e i g h t y o n e MP a 表2浆体质量分数为 8 2％ ， 粉煤灰与充填体强度关系 MP a T a b 2 rel a t i o n s h i p b e t we e n fly a s h a n d fi l l i n g b od y s t ren g th wh e n mR s s p e r c e n t i s e i ght y t w o MP a 表 3浆体质量分数为 8 3％ ， 粉煤灰与充填体强度关系 MP a Ta b ． 3 rel a t i o n s h i p b e t we e n fly a s h a n d fi l l i n g b od y s t r e n g t h w h e n ma s s p e r c e n t i s e i g h t y t h ree MP a 3 强度影响因素分析 试验结果表明，膏体充填材料质量分数、粉煤 灰种类及用量、养护龄期等因素对充填体的强度都 有很大的影响。 3 ． 1浆体质量分数影响 图l 为浆体质量分数与充填体强度关系曲线， 图中强度为粉煤灰用量为5 0 0 k g ／ m 3 时的平均强度。 图1浆体质量分数与充填体强度的关系 F i g ． 1 t h e r e l a t i o n b e t we e n s l u r r y d e n s i t y a n d f i l l i n g b o d y s t r e n g t h 从图1 可以看出，相同条件下，随着膏体质量 分数的提高，充填体的强度明显增加。在实践中， 可根据这一特性在满足流动条件下，调整膏体充填 料浆的质量分数，通过增加浆体质量分数来提高充 填体的强度，继而减少膏体胶结料用量，从而达到 降低 充填成本的目的。 ． 维普资讯 辽宁工程技术大学学报 第 2 5 卷 3 ． 2 粉煤灰影响 】 3 ． 2 ． 1 粉煤灰用量 图2 为浆体质量分数为8 l％，胶结料用量为5 0 kg ／ m ’ ，粉煤灰用量与膏体充填体强度的关系， 龄期 为3 d 。 O O 。 罨 0 暖 0 2 5 0 3 0 0 3 5 0 4 0 0 4 5 0 5 0 0 粉煤灰／ k g ． m。 图2 粉煤灰用量与充填体强度的关系 F i g ． 2 r e l a t i o n b e t we e n f i l l i n g b o d y s t r e n g t h a n d f l y a s h u s e c o n s u mp t i o n 由图2 来看，相同条件下随着粉煤灰用量的增 加， 充填体强度也随之提高， 即两者成正比之关系。 利用这一特点，可以在膏体料浆配制过程中，适当 增加粉煤灰用量，一来可以提高充填体强度，二来 可以改善料浆的流动性。另一方面粉煤灰在膏体配 比中的大量使用可以减少由粉煤灰排放给环境造 成的污染，从而更好地保护环境。 3 ． 2 ． 2 粉煤灰种类 从实验结果分析发现， 相同条件下除粉煤灰用 量外，粉煤灰种类对充填体强度也有一定影响。不 同的粉煤灰在不同龄期，对膏体强度的影响不尽相 同。这主要取决于粉煤灰的矿物组成及微观特征。 从现有的研究成果来看，粉煤灰在充填料浆中 主要起两方面作用充填致密和活性胶凝作用。充 填密实又分物理和化学充填两方面物理充填主要 是微细的粉煤灰颗粒填充了尾砂胶结充填体中的 孔隙，置换了孔隙中的空气，增加了尾砂胶结充填 体的密实程度；化学充填主要指粉煤灰活性颗粒的 水化反应，使粉煤灰玻璃微珠周围形成了水化凝胶 网络 实际是微珠表面的水化层和凝胶沉淀层共同 组成的“ 双膜层” ， 胶合了粉煤灰颗粒与水泥浆体及 骨料颗粒的界面，提高了集料界面的粘结强度，使 浆体和集料界面起致密作用。对于粉煤灰的活性胶 凝作用主要表现在后期，前期不很明显。 3 ． 3 养护龄期 在质量分数、粉煤灰用量一定的条件下，养护 龄期对充填体强度的影响见图3 ，图中强度为粉煤 灰用量为5 0 0 k g ／ m 时的平均强度 。 图3 表明抗压强度受龄期影响很大，强度随着 养护龄期的增长而增大。此外实验室对膏体料浆凝 结时间的观察表明， 充填体养护8 h 之后，已具有 定的强度，脱模后可以达到自稳。这一特点非常有 利于矿山充填，有利于缩短采充循环周期，提高采 场综合生产能力，完全可以满足膏体充填开采的现 场工艺要求 。 养护龄期／ d 图3 膏体强度与养护龄期关系 F i g ． 3 a g e s t r e n g t h r e l a t i o n o f p a s t e fil l i n g b o d y 4 结 论 以上实验数据的分析表明，膏体质量分数、粉 煤灰用量及种类和养护龄期对充填体强度都有不 同程度的影响 1 相同条件下，随着膏体质量分数的增加， 充填体随之不断提高。 2 粉煤灰对膏体充填体强度的贡献主要是 在于其充填致密和活性胶凝作用。不同的粉煤灰， 由于其化学、矿物成分及微观形态的差异，对充填 体强度的影响各异。相同条件下，随着粉煤灰用量 的增加，其强度呈上升趋势。 3 在质量分数、粉煤灰用量一定的条件下， 充填体强度随养护龄期不断增长。 4 实践中，可以利用粉煤灰增强减水作用， 大掺量使用，提高膏体质量分数， 减少膏体胶结料 用量，降低充填成本，提高充填体强度。 参考文献 【 1 1周华强， 侯朝炯．固体废物膏体充填不迁村采煤[ J 】 ．中国矿业大学学 报，2 0 0 4 ， 3 3 2 1 5 4 】 5 8 ． [ 2 】赵才智。 周华强．膏体充填材料力学性能的初步实验[ J 1．。 囤矿业大 学学报，2 0 0 4 ，3 3 2 1 5 9 1 6 1 ． 【 3 1钱觉时．粉煤灰特性与粉煤灰混凝土[MI ．北京 科学出版社， 2 0 0 2 ． 4 饶运章．尾砂胶结充填应用粉煤灰的机理发试验研究【 J 1 _南方冶金 学院学报， 2 0 0 3 ， 2 4 2 1 - 5 ． 【 5 】胡家国． 古德生． 粉煤灰作为水泥替代 品用于胶结充填的试验研究 【 J j ．矿业研究与开发， 2 0 0 2 ， 2 2 5 5 8 ． 【 6 】王新 民． 胡家国， 王泽群．粉煤灰细砂胶结充填应用技术的研 究[ J 1 ． 矿业研究与开发，2 0 0 1 ，2 1 3 4 ． 6 ． 维普资讯