煤矸石膏体充填材料的试验研究.pdf

第 2 3卷 第 4 期 2 0 0 6 年 1 2月 采矿与安全工程学报 J o u r n a l o f Mi n i n g S a f e t y En g i n e e r i n g Vo 1 ． 2 3 No ． 4 De c ． 2 0 06 文章编号 1 6 7 3 3 3 6 3 2 0 0 6 0 4 0 4 6 0 0 4 煤矸石膏体充填材料的试验研究 郑保才 ， 周 华强 ，何荣军 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 摘要为 了提高村庄下的压煤采 出率和保护环境， 采用煤矸石膏体充填采矿 法解放村庄下煤炭． 通过正交试验和线性回归， 得 出影响煤矸石膏体充填体强度和坍落度的 因素及回归函数． 结果表 明 组成膏体充填材料的煤矸石， 胶 结料 ， 粉煤灰及 膏体质量浓度对强度均有不同程度影响， 煤矸 石对充填体的后期强度影响显著 ， 胶结料对充填早期强度影响较显著， 粉煤灰对充填强度影响不 显著． 煤矸石在加工成直径小于 2 5 mm后 ， 还需进一步分级． 提 高细颗粒矸石加量和降低质量浓 度可提 高膏体的坍落度和可泵性 ， 胶结料和粉煤灰对膏体的可泵性影响不如煤矸石和质量浓度 影响显著． 关键词 膏体充填；正交试验 ；回归分析 ；抗压强度 ；坍落度 中图分 类号 TD 3 5 0 ． 4 文献标 识码 A Ex p e r i me n t a l Re s e a r c h o n Co a l Ga n g u e Pa s t e Fi l l i n g M a t e r i a l Z HE NG B a o c a i ，Z HOU Hu a q i a n g ，HE R o n g j u n S c h o o l o f M i n i n g a n d S a f e t y E n g i n e e r i n g。Ch i n a Un i v e r s i t y o f Mi n i n g Te c h n o l o g y． Xu z h o u ，J i a n g s u 2 2 1 0 0 8 ．Ch i n a A b s t r a c t Co a l g a n g u e p a s t e f i l l i n g i s u s e d i n c o a l mi n e s t o i mp r o v e t h e r e c o v e r y r a t i o o f c o a l f o r u n d e r v i l l a g e mi n i n g a n d p r o t e c t t h e e n v i r o n me n t f r o m b e i n g p o l l u t e d ． Th e i n f l u e n c e f a c t o r s o f s t r e n g t h a nd s l ump o f c o a l g an gu e pa s t e f i l l i ng b od y a nd t h e r e gr e s s i o n f u nc t i o n f or t he s e t wo f a c t o r s a r e o bt a i ne d b y or t h og on a l t e s t a n d l i n e a r r e gr e s s i on ． The r e s ul t s s h o w t ha t a l l t ．h e f a c t or s of c o a l ga n gu e，c e me n t i ng ma t e r i a l ，f l y a s h a nd t he p a s t e f i l l i n g m a s s c on c e n t r a t i on wi l l a f f e c t t h e s t r e n g t h o f t h e f i l l i n g b o d y t o a c e r t a i n e x t e n t ．Th e c o a l g a n g u e h a s a d i s t i n c t i n f l u e n c e o n t h e l a t e r s t r e n g t h，wh i l e t h e c e me n t i n g ma t e r i a l h a s a d i s t i n c t i n f l u e n c e o n t h e e a r l y s t r e n g t h ．Fl y a s h h a s o n l y a l i t t l e i n f l u e n c e o n s t r e n g t h ． Af t e r c o a l g a n g u e i s p r o c e s s e d i n t o p a r t i c l e s wi t h t he s i z e l e s s t ha n 2 5 mm ，i t ne e ds t O b e f ur t h e r g r a de d． I n c r e a s i n g t he qu a n t i t y o f t h e f i n e s i z e d c o a l g a n g u e a n d d e c r e a s i n g t h e p a s t e f i l l i n g c o n c e n t r a t i o n ma y e n h a n c e t h e s l u m p a n d pu mpa b i l i t y o f t h e p a s t e ．Th e e f f e c t o f c e me nt i ng m a t e r i a l a n d f l y a s h on pu mpa b i l i t y i s n o t a s o b v i o u s a s t h e c o n c e n t r a t i o n o f c o a l g a n g u e i s ． Ke y wo r d s p a s t e b a c k f i l l ；o r t h o g o n a l t e s t ；r e g r e s s i o n a n a l y s i s ；c o mp r e s s i v e s t r e n g t h；s l u mp 村庄等建筑物下采煤一直是 困扰我 国煤矿生 产正常接续和持续发展的重大问题 ， 特别是我国东 部地区， 人 口多， 村庄密度大， 村庄压煤尤为严重． 我 国煤矿村庄压煤主要采用迁村或条带开采 的办 法进行开采 ， 这两种办法已越来越不能满足开采村 庄压煤的需要． 我 国急需发展新 的不迁村采煤方 法． 同时， 我国煤矿采用垮落法开采 ， 开采的过程中 除造成土地资源的沉陷破坏外 ， 还排放大量的煤矸 收 稿 日期 2 0 0 6 一O 8～3 】 作者简介 郑保 才 1 9 8 0 一 。 男 。 河南省新密市人， 硕士 ， 从事充填采矿方面的研究 E - ma i l z h e n g b a o c a i 1 2 6 ． c o rn T e l 0 5 1 6 8 3 8 8 4 8 6 1 维普资讯 第 4 期 郑保才等煤矸石膏体充填材料的试验研究 石等固体废物 ， 对环境造成多方 面的危 害， 包括侵 占土地、 污染土壤 、 污染水体 、 污染大气和影响环境 卫生 ． 据统计 ， 2 0 0 2年全 国工业 固体废物产生量为 9 ． 5亿 t ， 综合利用只有 5 2 ， 多年固体废物产大于 用， 已经累计堆积 了近 1 0 0亿 t 固体废物 ， 占用和 污染 了 1 0 0万 h a的土地． 所谓固体废物膏体充填 不迁村采煤 ， 就是把煤 矿附近的煤矸石 、 粉煤灰 、 工 业炉渣、 劣质土 、 城市 固体垃圾 等在地 面加工制作 成不需要脱水处理的牙膏状浆体 ， 采用充填泵或重 力加压 ， 通过管道输送 到井下 ， 适 时填 充采空 区或 离层区， 形成 以膏体 充填为主 的上覆岩层 支撑 体 系， 有效控制地表沉 陷在建筑物允许值范围内， 实 现村庄不搬迁， 安全开采建筑物下压煤 ， 保护矿区 生态环境和地下水资源[ 1 ] ． 膏体充填技术在国外金 属矿山已经有 2 O多年 的发展历史 ， 国内金川有色 金属公 司二矿区、 大冶有色金属公司铜绿山矿近年 也是试验成功并应用了膏体充填技术． 但是， 在我 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， 本文着重对煤矿膏体充填材料特性进行 了 分 析研 究． 山东某矿” j 三 下” 压 煤储量 占全矿井地质储量 的 3 1 ． 9 ， 其中压煤可采储量 占全矿 可采储 量的 7 2 ． 9 9 ／ 6 ， 村庄压煤 占全矿井工业储量 的 6 7 ． 6 ． 矿 井在初期采用条带开采解放了部分村庄下压煤 ， 随 着可采资源的减少和矿井服务年限的缩短 ， 迫切需 要采用一种新的采矿方法， 解放 村庄压煤同时保护 地表村庄和农 田． 同时前期开采 中排放 的大 量矸 石， 电厂排放 的粉煤灰 ， 侵 占土地 ，污染环境． 为了 综合解决上述问题 ， 提 出了煤矸石膏体条带局部充 填采矿． 煤矿膏体充填对材料 的要求有以下特点 成本 要求低 ； 充填材料常常是煤矸石 ， 粉煤灰 ， 河砂等来 源广泛的固体废物 ， 早期强度要求高 ， 可泵性好． 1 充填材料物理化学组成 1 胶结料 试验采用 的胶结料是 以普通硅酸 盐水泥为基材 ， 与石膏、 石灰和多种外 加剂等科学 配制的复合材料 ， 简称 P L膏体胶结料 ， 该材料具 有速凝 、 早强和后期强度持续增长的特点 j ． 2 煤矸石 粗骨料矸石的级配、 粒径对膏体的 可泵性影响很大 ， 最大粒径取决 于输送 管的尺寸． 根据煤矿膏体充填 的需要和煤矸石破碎后外 形尖 锐扁平的特点 ． 同时参考粗骨料最大粒径 与输送管 径的关系确定煤矸石加工破碎 到直径小于2 5 mm， 进行筛分以后按混凝土的颗粒级配曲线进行级配． 根据宝钢的泵送混 凝土施工 经验 ， 集料 最大 尺寸 2 5 mm 有外加剂的混凝 土碎 石的砂率 为 4 4 j ． 用于不迁村采煤充填 的固体废 物膏体 与泵送混凝 土在很大程度上相似． 所以用于不迁村采煤充填的 固体废物膏体的砂率取 4 4 ． 3 粉煤灰 粉煤灰在充填材料 中主要发挥细 集料作用 ， 粉煤灰能 著提高混凝土拌合物的合易 性 ， 充分发挥粉煤灰球形颗粒 的润滑滚珠效果 ， 提 高混凝土流动性， 减少泌水防止混凝土离析 ， 提高 可泵性【 ． 膏体所用粉煤灰为某电厂烟尘粗灰 ， 经 检测粉煤灰 0 ． 0 8 mm方孔筛筛余量 2 6 ， 标 准稠 度 3 2 ． 5 ， 化 学成 分 S i O2占 5 4 ． 6 8 ； F e 2 0。占 5 ． 8 4 ； Al 2 3占 2 6 ． 7 O ； C a O 占 4 ． 3 6 ； Mg O 占 1 ． 2 0 ； I ． o s s占 1 ． 9 2 ． 2 试 验方案 2 ． 1 因素 和水 平 由于要考察矸石粗细粒级含量对膏体强度 和 可泵性 的影响 ， 对该凶素选择 3个水平 ； 选择矸石 粉 中细粒级 的含量 占矸石总量 的百分 比作 为划分 水平的依据． 细矸石粒径在 5 mr n以下 ， 粗矸石粒 径为 5 ～2 5 r n m． 胶结料的加量 ， 粉煤灰 的加量 ， 质 量分数也分 3个水平． 水的质量可以由绝对体积法 求得． 因素和水平列于表 1 ． 表 1因素水 平 Ta bl e 1 Fa c t or an d l e v e l 平 矸石粉中细粒级胶结料加 鞋 粉煤废 加量膏体质 质量分数／ ／ k g12 1 ／ k gm 分 数／ ％ l 44 5 0 4 0 0 8 3 2 4 O 6 0 4 5 0 8 4 l 6 0 4 0 5 0 0 8 5 2 ． 2 选择正交表安排试验方案 本次试验采用 3个水平 ， 4个 因素的正 交表． 试验对应 的正交表 是 L ， 3 ， 表示 用该表需 作 9 次试验． 强度试验 的试块按 1 0 c m1 0 c m 标准金 属试模浇灌 ， 分 1 ， 3 ， 7 d的强度来考核 ， 每个龄期 3 个试块[ ． 3 试验 结果及分析 3 ． 1 试 验 结果 试验在实验室内进行 ， 各个龄期 的充填体抗压 强度和坍落度结果见表 2 ． 维普资讯 采矿 安全工程学报 第 2 3卷 表 2 强度和坍落度与材料用量的试验结果 注 Y l ， ， y 7 分 别 为 1 ， 3 7 d的 坑 压 强 度 ． 3 ． 2 试验回归计算 从表中的数据可看 出每个 因素的不同水平与 抗压强度近似为直线关系， 因此可考虑为线性 回归 分析． 回归系数 的计算结果 见表 3 ， 偏 回归平方 和 见表 4 ． 表 3回 归 结 果 Ta bl e 3 Re s u l t s o f r e g r e s s i o n 5 ． 3 1 7 5 0 7 9 7 ． 0 0 0 9 5 2 4 6 ． 2 3 0 4 9 2 1 6 6 ． 7 61 9 0 4 8 0 ． 0 0 3 1 6 0 7 0 ． 0 0 9 4 1 0 7 0． 0 1 5 7 9 7 6 0 ．1 1 6 0 7 1 4 0 ． O 1 1 21 6 7 0 ． 0 0 7 1 0 0 0 0． 01 2 6 6 6 7 0 ． 0 0 8 3 3 3 3 0 ． 0 0 0 1 9 6 7 0 ． O O 1 2 O 0 0 o ． O O1 9 8 6 7 0 ． O O 1 6 6 6 7 6 ． 】 1 6 6 6 6 7 8 ． 5 5 0 0 0 0 0 7 ． 4 8 3 3 3 3 3 5 8 ． 3 3 3 3 3 3 3 0 ． 1 0 5 2 2 9 9 0 ． 1 5 5 2 2 0 9 0 ． 3 5 6 7 7 7 0 1 1 ．1 7 8 5 7 1 4 0 ． 0 1 3 4 5 5 0 0 ． 0 8 0 9 2 3 1 0． 1 1 6 5 9 7 2 3 ． 8 2 1 4 2 8 6 o ． 1 1 8 6 8 4 9 o ． 2 3 6 1 4 4 o o ． 4 7 3 3 7 4 2 1 5 ． 0 o 0 0 0 o 0 0 ． 9 4 1 61 1 5 0 ． 81 0 7 4 9 3 0． 8 6 8 1 5 2 7 0 ． 8 6 3 2 7 1 7 Pl 0 ． 0 0 4 1 5 6 P2 0 ． 0 7 5 4 8 8 P3 0 ． 0 0 0 5 8 0 Pl o ． 0 2 2 4 4 8 0 ． 0 3 6 8 4 2 0 ． 0 3 0 2 4 6 O ． O 21 6 0 0 o ． 0 4 3 8 6 1 0 1 0 3 81 9 o ． o 9 6 2 6 7 O ． O 5 9 2 0 3 o ． 0 3 3 6 0 0 经回归计算得各龄期的回归公式 ] l一一 5 ． 3 1 7 5 0 7 9 0 ． 0 0 3 1 6 0 7 xl 0 ． 0 1 1 2 1 6 7 x2 0 ． 0 0 0 1 9 6 7 x3 6 ． 1 1 6 6 6 6 7 x4 ， 1 3 3一 一 7 ． 00 09 5 24 0． 00 9 41 07 xl 0 ．0 07 10 0 0 x2 0 ． 0 0 1 2 0 0 0 x3 8 ． 5 5 0 0 0 0 0 x ， 2 y 7一 一 6 ． 2 3 0 4 9 2 1 0 ． 0 1 5 7 9 7 6 xl 0 ． 0 1 2 6 6 6 7 s c 2 0 ． 0 0 1 9 8 6 7 x3 7 ． 4 8 3 3 3 3 3 x4 ， 3 Z 6 6 ． 7 6 1 9 0 4 8 0 ． 1 1 6 0 71 4 x 1 0 ． 0 0 8 3 3 3 3 x 2 0 ． 0 0 1 6 6 6 7 s c 3 5 8 ． 3 3 3 3 3 3 3 x ． 4 3 ． 3 抗压强度的影响因素分析 从回归数据的偏回归平方和中可知， 粉煤灰的 加量对 1 d充填体抗压强度的影响不是很显著． 而 胶结料有显著的影响． 质量分数 的影响次之 ， 最后 是细粒级矸石 的加量． 在 3 d强度的影响因素 中， 粉煤灰的加量对充填体抗压强度的影响不显著 ， 而 其他 3 个 因素与粉煤耿的影响作用相差不大 ， 质量 浓度的影响最大． 在 7 d强度的影响因素中， 细粒 级矸石的加量对强度的影响最显著， 而后是胶结料 的加量 ， 然后是粉煤灰的加量． 影响作用最不显著 的是质量浓度． 因此综合起来町以看 出， 胶结料的 加量对充填体强度有显著的影响． 尤其对充填体早 期强度的影响最为显著． 1 细粒级矸石量 由式 1 ， 2 ， 3 町知， 细粒级矸石量对强度的影响随着时间而逐渐增强， 它对长期强度有显著影响． 主要是 因为后期在胶结 料和粉煤灰的胶凝作用下 ， 煤矸石 的整体性得到提 高 ， 从而使得充填体整体后期强度得以增强． 2 胶结料加量 从 回归公式 中可知， 胶结料对 强度的影 响在早期 和后期相对显著 ， 同时随着胶结 料加量的增加呈增长趋势． 3 粉煤灰加量 粉煤灰对强度的影响作用在 前期硬化 中不显著 ， 粉煤 灰在这时发挥微 集料作 用 ， 在硬化后期 ， 粉煤灰开始表现 出类似水泥 的胶 凝作用 ， 金属矿山的尾砂充填也 已证明此点． 4 膏体质量分数 膏体质量分数的增加对强 度的影响是先增强后减弱 ， 因为存 早期质量分数的 增大可在很大程度上提高膏体的 日 I 期 强度， 但随着 充填材料 的内部化学反应和胶凝作用 的加快 ， 质量 分数的影响作用开始减弱． 3 ． 4 坍落度的影响因素分析 膏体充填料的可泵性 ， 就是膏体充填料在管道 泵送过程 巾的工作性 ， 主要包括流动性 、 可塑性 和 稳定性． 流动性取决于膏体充填料的浓度及粒度级 配 ， 反映其固相与液相 的相互关 系和 比率 ； 可泵性 是膏体充填料泵送 的一个综合性指标 ， 一般用坍落 归 数一 一 “ R 维普资讯 第 4期 郑保才等 煤矸石 膏体 充填材料的试验研究 4 6 3 度来判别[ 】 。 。 ． 坍落度影 响因素 主要 取决于充填物 料的成分与比重， 粒级组成和浓度． 从试验数据可看 出膏体材料的坍落度均在 2 O c m 以上 ， 膏体在井下经泵送后坍落度会降低， 但还 是能满足要求． 从表 4中所列的坍落度可知 ， 骨料 中细矸石的加量对坍落度的影响最显著 ， 质量分数 次之 ， 胶结料和粉煤灰的影响基本相当． 从 4 回归 式可知各个 因素对坍落度的影响如下 1 细粒级矸石量 细矸石 的量增加可增加坍 落度 ， 对膏体材料 的可泵性有利． 细矸石对膏体材 料可泵性的影响比粗矸石大得多． 2 胶结料和粉煤 灰加量 两者对坍 落度 的影 响相对其他可看作相 当， 且 影响不显著． 掺用粉煤 灰可取代部分胶结料． 由两者混合成的浆体填充了 矸石间的孔隙 ， 包裹并润滑了矸石颗粒 ， 提高了膏 体材料的可泵性． 3 膏体质量分数 质量分数对可泵性起 决定 性作用 ， 质量分数越高 ， 坍落度越低 ， 可泵性越差． 3 ． 5 充填材料配比建议 考虑煤矿充填材料的来源 ， 对不 同的矿区充填 方法不同材料应有所不同 ， 但都应本着提高强度和 可泵性 ， 降低成本的原则． 结合山东某矿充填方法 ， 建议选用 细粒级 占矸石 粉质 量百分 比为 4 O 和 4 4 ， 同时胶结料加量在经济条件允许的情况下选 用较大加量的 5 0 k g ／ m 或 6 0 k g ／ m ． 质量分数应 控制在 0 ． 8 3 或 0 ． 8 4 ． 4 结 论 1 试验研究表明煤矸石可作为固体废物膏体 充填骨料与粉煤灰、 胶结料进行膏体充填． 为保证 膏体的正常泵送 ， 要严格控 制矸石粗 细颗粒 的 比 重 ， 砂率一般控制在 4 4 左右． 充填骨料 良好的粒 级组成可使颗粒间孔隙减小 ， 颗粒不易下沉． 2 膏体充填材料 中煤矸石 ， 胶结料对充填体 强度影响显著． 胶结料对早期强度的影响最明显． 煤矸石对后期强度影响较明显． 提高充填体强度的 有效途径是提高胶结料和矸石含量 ， 但提高胶结料 含量对控制成本不利， 提高矸石含量对控制坍落度 和膏体的可泵性不利． 因此在实际生产 中要合理控 制二者含量 ， 保证膏体满足强度和可泵性的要求． 3 煤矸石在加工破碎为直径小 于 2 5 mm 后 ， 在胶结充填中作为骨料的煤矸石还需进一步分级． 矸石粗颗粒的最大粒径与充填管径之 比应控制在 1 4或更小． 4 膏体中矸石细颗粒对材料 的坍落度影响作 用较粗颗粒显著 ， 质量浓度的提高对膏体的坍落度 不利． 在膏体材料 中添加优质粉煤灰能够提高和易 性 ， 可充分发挥粉煤灰 的润滑效 果， 降低坍落度损 失 ， 提高膏体的可泵性． 参考文献 [ 1 3 周 华强 ， 候朝炯 ， 孙希奎 ， 等．固体废弃 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 1 5 8． ZHOU Hu a - q i a n g， H0U Ch a o j i o n g。S UN Xi k u i ， e t a 1 ．S o l i d wa s t e p a s t e f i l l i n g f o r n o n e r v ma g e _ r e l o c a t i o n c o a l mi n i n g [ J ] ．J o u r n a l o f C h i n a Un i v e r s i t y o f M i n i n g ＆ Te c h n o l o g ，2 0 0 4， 3 3 2 1 5 4 1 5 8 ． [ 2 ] 赵才智， 周华强， 瞿群迪， 等．膏体充填材料力学性能 的初步实验 [ J ] ．中国 矿业 大 学学 报 ， 2 0 0 4 ， 3 3 2 1 5 9 - 1 61 ． ZHAO Ca i z h i 。ZHOU H u a - q i a n g，QU Qu I 卜d i ，e t a 1 ．Pr e l i mi n a r y t e s t o n me c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f p a s t e f i l l i n g ma t e r i a l [ J ] ．J o u r n a l o f C h i n a U n i v e r s i t y o f M i n i n g＆ Te c h n o l o g y ，2 0 0 4， 3 3 2 1 5 9 1 6 1 ． [ 3 3 赵志缙．泵送混凝土[ M] ．北京； 中国建筑工业出版 社 ， 1 9 8 5 ． [ 4 3 王谦， 韩军洲， 杨先文．粉煤灰泵送混凝土的性能 及 应用[ J ] ．粉煤灰 ， 2 0 0 1 6 3 I - 3 4 ． W ANG Qi a n， 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