煤礦采空區膏體充填材料制備試驗研究

李緒萍 林慶博 張金山

(內蒙古科技大學礦業研究院，內蒙古自治區包頭市，014010)

隨著煤炭資源逐漸減少，“三下”采煤問題日益嚴峻[1]。一般“三下”壓煤的采煤方法成本高、效率低、浪費嚴重[2]，且不能有效控制地表沉陷[3]。目前，國內大多數礦井均采用充填開采法解決相應問題[4-5]。

內蒙古烏海某煤礦6號煤層80%屬于“三下”煤炭資源，充填區域位于工業廣場東側壓煤區，東西長約270 m，南北寬約236 m，平均厚度為10.4 m，煤層產狀平緩，埋深平均約185 m。煤層基本頂為中粒砂巖，厚度為22.4 m，巖性特性為灰白色，質地堅硬，具有水平波紋狀層理；直接頂為泥巖，厚度為2.6 m，巖性特性為上部灰色、細膩， 中部淺灰色，可見植物化石；直接底為粉砂質泥巖，厚度為1.2 m，巖性特性為深灰色至灰黑色，賦存均勻，可見植物化石；基本底為粗砂巖，厚度為18.8 m，巖性特性為灰白色粗砂巖，主要成分為石英。筆者以粉煤灰為細料、煤矸石為骨料、含量為7%的水泥作為膠結料、電石渣為外加劑，通過大量試驗制成了膏體充填材料，并進行了試樣制備和性能測試，表明此種材料可以作為采空區充填材料使用，可以滿足該煤礦對充填體28 d最低抗壓強度5.3 MPa的要求。

1 充填材料原料的理化性質分析

1.1 粉煤灰的理化性質分析

試驗用粉煤灰取自內蒙古烏海神華火力發電廠，氧化鈣含量較高，屬于C類粉煤灰，含水率為1.93%，燒失量為1.685%。利用XRD分析了粉煤灰的礦物成分，測試條件為Cu 靶，Ka輻射，掃描角度為10°～60°，掃描速度為0.02°/s，電壓為10 kV，電流為100 mA。粉煤灰XRD衍射圖譜如圖1所示。

圖1 粉煤灰XRD衍射圖譜

由圖1以看出，該種粉煤灰的主要成分為CaSO4和SiO2。

1.2 煤矸石的理化性質分析

試驗所用煤矸石的粒徑為0～10 mm的不規則塊狀體，采自內蒙古烏海某煤礦，其含水率為0.92%，燒失量為12.961%。煤矸石的XRD衍射圖譜如圖2所示。

由圖2可以看出，該煤矸石主要由高嶺土和SiO2構成。

1.3 外加劑的理化性質分析

試驗選取的外加劑為電石渣，其中Ca(OH)2含量較高，所以能與粉煤灰結合發生火山灰反應，從而可以顯著提高充膏體的強度。試驗選用外加劑的含水率為6.47%，利用XRD分析了其礦物組成，外加劑的XRD衍射圖譜如圖3所示。

圖2 煤矸石的XRD衍射圖譜

圖3 外加劑的XRD衍射圖譜

由圖3可以看出，外加劑主要由Ca(OH)2構成。

2 膏體充填材料配比試驗

2.1 試驗方案

試驗選用材料為標號325的普通硅酸鹽水泥、粉煤灰、煤矸石、外加劑，在室溫為24℃、相對濕度為40%的條件下采用當地自來水進行制漿，將攪拌好的充填漿液倒入尺寸為70 mm×70 mm×70 mm的三聯試模，根據該煤礦實驗室提供的配方，制成標準試塊若干。1 d后進行脫模，將試塊放在室溫為24 ℃的條件下覆膜養護，28 d后采用壓力試驗機進行單軸抗壓試驗，每組配方均有3個平行樣本，測試結果取平均值。

由于該煤礦對充填漿料的質量濃度有要求，因此為了研究不同組分配方對充填材料性能的影響，得出最佳材料配比，保持充填漿料質量濃度為67%的條件下分別改變粉煤灰、水泥、外加劑摻量后對充填體性能進行測試。

2.2 試驗結果及分析

2.2.1 粉煤灰摻量對膏體充填體性能的影響

試驗保持煤矸石、水泥、外加劑質量比為14∶1∶1不變，逐漸減少粉煤灰含量，測試不同粉煤灰含量對膏體充填體性能的影響，共計9組配方，現選取有代表性的5組配方進行對比，對A組試驗材料配比及28 d單軸抗壓強度進行測試，粉煤灰摻量對膏體充填體性能的影響見表1。

表1 粉煤灰摻量對膏體充填體性能的影響

由表1可以看出，當煤矸石、水泥和外加劑含量不變且漿料質量濃度為67%時，28 d單軸抗壓強度隨著粉煤灰含量的減少而先增大后減小，可以看出A3組配方的抗壓強度明顯較好。

2.2.2 水泥摻量對膏體充填體性能的影響

試驗保持煤矸石、粉煤灰、外加劑質量比為14∶10∶1 不變，改變水泥摻量，測試不同水泥含量對膏體充填體性能的影響，共計7組配方，現選取有代表性的5組配方進行對比，對B組試驗材料配比及28 d單軸抗壓強度進行測試，水泥摻量對膏體充填體性能的影響見表2。

表2 水泥摻量對膏體充填體性能的影響

由表2可以看出，當煤矸石、粉煤灰和外加劑含量不變且漿料質量濃度為67%時，28 d單軸抗壓強度隨水泥含量的增大而增大，且增量顯著。由此看出普通硅酸鹽水泥在制備膏體充填材料上起到了至關重要的作用，但出于成本考慮，充填膏體中水泥的摻量適量即可，因此選取B2組配方的水泥摻量。

2.2.3 外加劑摻量對膏體充填體性能的影響

由于外加劑中Ca(OH)2含量較高，易與粉煤灰發生水化反應，激活粉煤灰的活性。因此試驗保持煤矸石、粉煤灰、水泥質量比為14∶10∶2不變，改變外加劑摻量，測試不同外加劑含量對膏體充填體性能的影響，共計5組配方，對C組試驗材料配比及28 d單軸抗壓強度進行測試，外加劑摻量對膏體充填體性能的影響見表3。

表3 外加劑摻量對膏體充填體性能的影響

由表3可以看出，當煤矸石、粉煤灰和水泥含量不變且漿料質量濃度為67%時，28 d單軸抗壓強度隨著外加劑含量的增大而增大，其中C3組試驗結果與C2組試驗結果相比強度明顯增加；C4組試驗結果與C3組試驗結果相比，雖然增加了16.7%的外加劑摻量，但試驗結果強度僅有小幅度提升，因此從經濟角度考慮選取C3組配方。

2.3 充填材料最優配比

通過大量配比試驗綜合多方面技術因素得出結論，漿料質量濃度為67%時，煤矸石、粉煤灰、水泥、外加劑質量比為 14∶10∶2∶3，可作為充填材料的最優配比。

2.4 充填材料成本計算

以烏海當地材料價格作為參考，標號325普通硅酸鹽水泥的價格為122元/t，外加劑的價格為100元/t，煤矸石與粉煤灰由烏海某煤礦與烏海火力發電廠免費提供。按照試驗所得最優充填配比，經計算可得充填材料成本為18.75元/t。烏海某煤礦充填所用各組分材料均來自當地煤礦和火力發電廠，因此運輸費用較低，且水泥用量較少，總成本低廉。可為國內同類型煤礦提供借鑒。

3 粉煤灰活性激發與水化反應機理

一般來說，粉煤灰只具有潛在的火山灰活性，需要在激發的條件下激發粉煤灰活性，激發方法通常有“物理激發”“化學激發”“熱激發”[6]3種。本試驗選擇效果最好的化學激發方法進行試驗。

試驗中采用外加劑中的Ca(OH)2作為堿性激發劑，用以激發粉煤灰的活性，粉煤灰中的Si-O -Al、Si-O-Si和Al-O-Al在堿性條件下斷裂形成游離的不飽和活性鍵，使活性的SiO2和Al2O3溶出，形成不同的絡合物[7]；且本試驗中選用的粉煤灰含有大量的CaSO4，會和Ca(OH)2與活性Al2O3發生反應生成鈣礬石，產生膠凝作用，同時形成堿激發和硫酸鹽激發[8]。

粉煤灰與水泥中的可溶性成分在水中溶解，產生大量陰離子和陽離子并發生化學反應，生成Ca(OH)2等水化產物，產生大量的熱量，形成良好的溫度條件。隨著養護齡期的增長，該反應持續進行并進入粉煤灰內部，形成更多的水化產物，使得孔隙度降低，充填材料結構致密性增加，物理力學性能逐漸增強，直到粉煤灰中的活性物質完全水化[9]。

4 結論

(1)以煤矸石、粉煤灰、水泥和外加劑為主要原料進行膏體充填材料制備試驗，使用粉煤灰、煤矸石等固體廢棄物作為礦井充填材料的原料，可以節約生產成本。

(2)內蒙古烏海某煤礦采空區充填體28 d強度要求最低為5.3 MPa、充填漿料質量濃度為67%。試驗在滿足其漿料質量濃度的條件下，制備了煤矸石、粉煤灰、水泥、外加劑質量比為 14∶10∶2∶3 時所形成的充填體，其28 d強度達到5.71 MPa，達到該煤礦最低充填強度的需求。

(3)粉煤灰只有通過外加劑激發其活性才能更好的表現出其膠凝作用，外加劑中的氫氧化鈣含量較高，可以作為堿性外加劑，試驗選用粉煤灰含有大量硫酸鈣，同時發生硫酸鹽激發，對于粉煤灰的火山灰反應活性有較強的促進作用。