煤氣化廢渣用作煤礦充填材料的試驗研究

孫文標，郭兵兵，羅傳龍，王自龍，路 飏

(1.河南工程學院安全工程系，河南 鄭州 451191；2河南煤礦安全培訓中心，河南 鄭州 450001)

煤氣化廢渣用作煤礦充填材料的試驗研究

孫文標1，郭兵兵1，羅傳龍2，王自龍1，路 飏1

(1.河南工程學院安全工程系，河南 鄭州 451191；2河南煤礦安全培訓中心，河南 鄭州 450001)

為了降低煤礦充填的成本，采用煤氣化廢渣作為集料，以普通水泥作為膠凝材料配置了充填材料，測定了料漿的塌落度、脫水率和充填體的強度。結果表明：隨著水泥含量的增加，料漿的塌落度增加，隨著煤氣化細渣含量的增加，料漿的脫水率降低，在水泥含量為6%時，充填體的強度即可滿足自立的要求；采用煤氣化廢渣作為充填集料，充填材料的成本是可以接受的。

煤氣化廢渣；充填材料；塌落度；脫水率；強度

我國是世界上最大的煤炭生產國和消費國，煤炭資源開發是我國能源安全保障體系建設的重中之重，然而煤礦開采造成的巖層和地表移動嚴重破壞了土地資源和水資源[1-2]，對人類的生存環境造成了巨大威脅。充填開采不僅有利于減少開采造成的破壞，還能夠處理工業固體廢棄物、改善煤礦的安全生產條件和提高煤炭資源的采出率[3-4]。近年來，煤礦充填開采技術得到了廣泛的關注。

煤礦充填開采需要大量的充填材料，充填的成本主要是充填材料的成本。因此，充填材料必須具有廉價、材料易得等優點。我國煤化工行業迅猛發展，在取得有用產品的同時也產生了大量的固體廢棄物。本文以煤氣化工業的廢渣為充填骨料，研究了充填料漿及其硬化后形成的固化體的性能，分析了充填成本，以期對煤礦充填技術的發展有所裨益。

1 原材料與實驗方法

1.1 原材料

骨料選用河南能源化工集團永城煤氣化工業產生的廢棄物，包括粗渣和細渣兩部分，粗渣經篩分測得其細度模數約為2.7，相當于中砂；細渣比表面積約為4 900 m2/kg，比普通水泥的顆粒更細。粗渣在充填料漿中作為粗骨料，細渣在充填料漿中作為細骨料。由于粗渣和細渣目前都大量存放，因此來源豐富，價格低廉。膠凝材料選用鄭州天瑞集團生產的32.5#普通硅酸鹽水泥。料漿拌和水為自來水。經過初步試驗，料漿的濃度定為80%，水泥含量從4%變化到8%，由于水泥的粒度與細渣更為接近，水泥含量增加時細渣含量相應減少，保持粗集料的含量為58%不變。

1.2 實驗方法

對充填材料的要求包括充填料漿良好的流動性和穩定性以及料漿硬化后形成的充填體有較高的強度。料漿的流動性可以用塌落度來表征。充填料漿塌落度的測量采用自制的小型塌落度筒。其上口直徑3.6 cm，下口直徑6.4 cm，高6 cm。塌落度大于2 cm為安全流范圍[5]。料漿的穩定性可以用脫水率來表征，試驗取料漿1 000 g倒入塑料燒杯中，參照普通混凝土拌合物泌水率試驗方法進行測試；充填體強度的測定按照標準方法成型試件，試件規格為70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm，試件成型后，在標準條件下養護1 d后拆模，并在規定條件下養護至齡期。分別測定1 d、3 d、7 d及28 d單軸抗壓強度。

2 實驗結果及討論

2.1 水泥含量對充填料漿塌落度的影響

在料漿濃度80%，粗集料的含量為58%條件下，實測充填料漿的塌落度見如圖1。

圖1 充填料漿的塌落度

由圖1可見，充填料漿的塌落度隨水泥含量的增加線性增長，這是由于水泥的比表面積較細渣小，其表面吸附的水分較少，從而使更多的拌合水成為自由水，從而導致料漿的流動性更好，即使在水泥含量為4%的條件下，料漿的塌落度也大于2 cm，表明料漿有較好的流動性。

2.2 煤氣化細渣含量對充填料漿泌水率的影響

在料漿濃度為80%，粗集料的含量為58%條件下，細渣含量從14%增加到18%，料漿的脫水率見圖2。

由圖2可見，隨著煤氣化細渣含量的增加，充填料漿的泌水率降低，表明料漿的穩定性提高。這是由于細渣的表面積較大，能把更多的水吸附在顆粒表面，從而避免拌合水的泌出。在細渣含量為18%的條件下，料漿的泌水率在2%左右，低于用河沙、粉煤灰為粗細集料的充填料漿的泌水率。

2.3 水泥含量對充填體強度的影響

在料漿濃度為80%，粗集料的含量為58%條件下，充填體在水泥含量為4%、6%和8%(分別編號為1#、2#和3#)時的強度見表1。

圖2 充填料漿的脫水率

表1 充填體的抗壓強度

1#2#3#1d-0230263d0220420467d04206407428d0801724

注：“-”為未測出強度

由圖3可見，隨著水泥含量和養護齡期的延長，充填體的強度增加。這是由于水泥水化是充填體產生強度的原因。在水泥含量為6%的條件下，充填體1 d強度在0.2 MPa以上，這樣的強度能夠滿足充填體自立的要求。

2.4 經濟性分析

為達到充填料漿流動性好，充填體強度滿足要求和成本低的目標，可以確定料漿濃度為80%，水泥含量為6%，煤氣化粗渣含量58%，煤氣化細渣含量為16%。這一配比的充填料漿中水泥成本在35元/m3左右，煤氣化粗渣和細渣的成本主要為運輸成本，充填材料總成本在40元/m3左右，經濟上是可行的。

3 結 論

1)在采用煤氣化粗渣和細渣分別作為充填的粗集料和細集料時，用水泥代替細渣可以提高料漿的流動性強度。

2)由于煤氣化細渣較細，適當提高其含量，可提高料漿的穩定性。

3)采用普通硅酸鹽水泥作為膠凝材料，在其含量為6%時即可配制得到料漿流動性好、脫水率低、充填體強度滿足要求的充填材料。

4)采用煤氣化廢渣作充填材料，不僅性能良好，而且成本低廉。

[1] 繆協興，巨峰，黃艷利，等.充填采煤理論與技術的新進展及展望[J].中國礦業大學學報，2015，44(3)：391-399，429.

[2] 劉建功，趙利濤.基于充填采煤的保水開采理論與實踐應用[J].煤炭學報，2014，39 (8)：1545-1551.

[3] 宋振騏，崔增娣，夏洪春，等.無煤柱矸石充填綠色安全高效開采模式及其工程理論基礎研究[J].煤炭學報，2010，35(5)：705-710.

[4] 楊寶貴，楊捷.煤礦充填技術發展趨勢與選用方法[J].礦業研究與開發，2015，35 (5)：11-15.

[5] 孫文標，孫恒虎，劉建莊，等.似膏體充填料漿配合比的實驗研究[J].中國礦業，2005，14(8)：70-71.

Research on experiment of the backfill material with coal gasification wastes used as aggregate

SUN Wenbiao1，GUO Bingbing1，LUO Chuanlong2，WANG Zilong1，LU Yang1

(1.Department of Safety Engineering，Henan University of Engineering，Zhengzhou 451191，China； 2.Henan Coal Mine Safety Training Center，Zhengzhou 450001，China )

In order to decrease the cost of backfill in coal mine，a kind of new backfill material was prepared with coal gasification wastes used as aggregate and ordinary portland cement used as cementitious material.The slump and dehydration rate of the slurry was measured.The strength of the hardened backfill material was also measured.The results show that with the increasing of ordinary portland cement，the slump of the slurry increases，that with the increasing of the fine coal gasification waste，the dehydration rate of the slurry decreases，and that the strength of the hardened backfill material can meet the need of self-support when the content of ordinary portland cement is 6%.When coal gasification wastes are used as aggregates，the cost of backfill is acceptable.

coal gasification wastes；backfill material；slump；dehydration rate；strength

2016-06-15

煤礦災害預防與控制河南省高校重點實驗室培育基地建設經費資助(編號：200925)；河南省科技廳科技攻關項目資助(編號：092102310230)；河南省教育廳青年骨干教師資助項目資助(編號：2010GGJS-185)

孫文標(1971-)，男，博士，副教授，主要從事煤礦安全和充填材料方面的教學與研究工作，E-mail：1421502382@qq.com。

TD823

A

1004-4051(2017)02-0166-03