充填開采下材料配比方案的選擇及工藝研究

史銳利

(山西晉城煤業集團成莊煤礦，山西 晉城 048000)

引 言

隨著采煤工藝的繼續發展，采空區充填技術得到了很好的發展空間，在全國各大煤企都進行了積極推廣[1]。基于此，本文研究充填材料的選擇和配比方案，并且分析充填材料的力學特性，從而為充填技術的發展提供一定依據。

1 材料選擇

充填材料的選擇[2]一般情況下需要遵循下列3條原則。

1) 就近選材。

2) 選擇具有合理粒徑比的骨料，這樣可保證充填材料混合凝固后內部巖體裂隙少，強度高，從而可減少充填體受載時的壓縮率(壓縮率可充分反應材料性能)。

3) 選擇透水性能好的材料進行配制，這樣可保證材料容易脫水。

本文研究礦井充填體骨料選擇為煤矸石，選擇膠結劑為硅酸鹽水泥和粉煤灰，選擇添加劑為減水添加劑。所以充填材料就以煤矸石為主，粉煤灰和水泥為輔。

2 材料特性

在實驗室進行充填體合理的配比方案研究前，采用顎式破碎機把現場取回的粒徑大的矸石進行破碎，盡量使矸石粒徑保持在30 mm以下，然后測定矸石中是否含有害成分。

通過上述所示的方法進行力學性能測試，得到煤矸石的密度為2.43 g/cm3，滲透系數為0.035 9 cm/s，水上休止角為34.7°，水下休止角為28.9°；粉煤灰的密度為2.68 g/cm3，滲透系數為0.012 4 cm/s，水上休止角為41°，水下休止角為25.3°。煤矸石的粒徑統計結果見圖1所示，粉煤灰的粒徑統計結果見圖2所示。

圖1 煤矸石粒徑統計結果圖

圖2 粉煤灰粒徑統計結果圖

在實驗室進行充填水泥性質的測試試驗。硅酸鹽水泥密度一般在3 t/m3～3.2 t/m3，平均密度為3.1 t/m3，容重一般在1 t/m3～1.6 t/m3，平均容重為1.4 t/m3。水泥的物理性質通常用比表面積參數來表示，本次實驗所選水泥細度在3 000 cm2/g～3 400 cm2/g，平均細度為3 100 cm2/g。

硅酸鹽水泥中硅酸鈣的含量達到了70%～80%，所以該成分決定了水泥強度，此外其他成分中的石膏和鋁酸鈣也起到輔助的作用。充填體的3個主要材料(矸石、水泥、粉煤灰)選擇好后，試驗還需要高效減水劑和水，高效減水劑成分為磺酸鹽甲醛縮合物，其含量為粉煤灰和水泥重量的1%；水的含量百分比為75%、80%。

在進行充填體的材料測試中，主要缺陷是煤矸石骨料的粒徑較大，破碎煤矸石耗資較多，而且會降低充填體運輸管路的壽命，但充填體材料之一的粉煤灰可以解決煤矸石較大粒徑的問題，故充填材料的選擇和配制是完全可行的。

3 材料配比選擇

3.1 配比原則

在進行材料配比時選擇的技術參數[3]如以下三點所示。

1) 為了延長運輸管路壽命以及保持充填體強度，充填材料中的粒徑最大值與管路直徑之比不應超過1∶5；

2) 充填體在混合后，至少保持4 h還可以通過輸送管路運送至采空區，塌落度應至少為150 mm；除此之外，粘稠度較高的膏體在管路總停留時間較長，應讓其分層厚度最大為2 cm。

3) 對強度的要求：充填體在混合后較長時間保持較高的強度。

3.2 配比方案設計

為了充分了解不同因素對充填體強度的影響效果，進行了多種配比方案。每組都使用標準模具澆筑成多個試件，達到預定時間后進行強度測量。具體方案是設計如下。

1) 配料濃度為75%和80%；

2) 水泥、粉煤灰和煤矸石的質量比為1∶6∶20、1∶5∶20、1∶5∶16、1∶3∶20、1∶4∶16以及1∶3∶16；

3) 減水劑添加量為1%；

4) 試件養護時間為28 d。

3.3 材料配比結果分析

表1為充填體在不同配比方案下的抗壓強度統計結果。從表中可以看出以下幾點。

1) 漿體質量濃度較大時，充填體凝固后的抗壓強度增大；對比質量濃度分別為75%和80%的充填體可以發現，在同樣的養護時間下，質量濃度大的充填體強度有較大提升，究其原因為質量濃度較低的混合漿液在凝固過程中分泌較多的水，從而影響了凝固后充填體的強度大小。

2) 粉煤灰不僅為充填體原料中必不可少的成分，而且在充填體混合過程中提高了充填體的流動

表1 不同配比方案下充填體強度統計表

能性，增大了充填體凝固后的強度。究其原因為煤灰的密度比煤矸石大，故粉煤灰的孔隙度相對煤矸石要小，在受載狀態下煤矸石的壓縮率要大一些，煤矸石與粉煤灰充分混合后，充填體孔隙中充滿粉煤灰，則會有效抑制壓縮率，進而優化充填體控制采場穩定的效果。

3) 充填體與巖石某些性質相似，即抗拉強度要比抗壓強度小得多，故充填體受載時，應盡量避免充填體有發生拉應力作用的區域。

當水泥、粉煤灰和矸石的質量比為1∶5∶16、質量濃度在75%～80%之間時，一方面充填體的抗壓強度和抗拉強度較高，另一方面，材料陳本較低，兩方面的因素使得此比例為較為適應的配比。

3.4 材料配比為1∶5∶16下的料漿流動性分析

充填體在輸送管路中的流動性應該滿足以下要求[3]。

1) 混合漿液應該為飽和膠結料漿，而且得保證穩定性較高；

2) 泵壓漿液時要避免離析；

3) 料漿的質量需保持穩定；

4) 管路輸送漿液過程中管路壁與漿液的摩擦阻力應該盡量小些；

5) 混合漿液中一定要含有細顆粒。

反應充填體在管路中的流動性指標包括塌落度(cm)、塌落擴散度(cm)和稠度(cm)，當這3個指標的波動性較小時，證明充填料漿的流動性較好。

通過試驗測量可得：當材料配比為1∶5∶16、質量分數為75%時，充填料漿塌落度為59.4 cm，塔羅擴散度為28.1 cm，稠度為12.3 cm；當材料配比為1∶5∶16、質量濃度為80%時，充填料漿塌落度為58.7 cm，塔羅擴散度為27.5 cm，稠度為12.7 cm。

對所得指標結果盡心分析，充填料漿的塌落度和擴散度隨著質量濃度的升高而減小，而稠度卻略有增大。充填料漿的質量分數為75%和80%時，塌落度都在16 cm以上，故充填體為流動性高的混凝土。

4 充填系統分析

4.1 工藝流程

骨料運輸流程：工作面開挖產生-平帶運輸至礦車-裝載到矸石倉-排矸皮帶運輸至破碎機處。

混合后充填漿液流程：按制定比例將骨料和原料充分混合-給料皮帶運輸值攪拌機-采用輸送泵經輸送管路運輸至工作面。

4.2 充填注意事項

1) 充填管路要求長度在0.8 m以下，高度在1 m以上。整個充填施工時間在較短時間內。

2) 充填漿液在充分混合均勻后的凝固時間段內體積會縮小，從而對充填效果的質量和充填體對覆巖的支撐效果產生大的影響，所以充填法最重要的工藝是保證良好的接頂效果。

3) 在實際充填工程中，還要確定充填料漿的流動性能及可泵送時間。另外，充填料漿的泌水率也對地表沉陷的控制效果有一定影響。

5 結論

煤矸石骨料的粒徑較大，破碎煤矸石耗資較多，而且會降低充填體運輸管路的壽命，但充填體材料之一的粉煤灰可以解決煤矸石較大粒徑的問題，故充填材料的選擇和配制是完全可行的。當水泥、粉煤灰和矸石的質量比為1∶5∶16、質量分數在75%～80%時，一方面充填體的抗壓強度和抗拉強度較高，另一方面，材料陳本較低，兩方面的因素使得此比例為較為適應的配比。