古城煤礦充填料漿配比試驗研究

王保勤

潞安化工集團五里堠煤業公司 山西長治 032600

古城煤礦井工業資源量為 1 260.07 Mt，井田內村鎮密集，影響礦井盤區布置與工作面正常回采，3 號煤層壓煤量達 665.07 Mt，除與其他必設煤柱的合并設置外，均考慮遷建，其搬遷后可解放資源達615.81 Mt。如果使用充填采礦技術將山下壓煤進行開采，即可以延長礦井服務年限，又可以不必購買耕地和村莊搬遷而浪費資金。使用泵輸送方式將充填材料輸送到工作面采空區，充填材料的選用、配比和運輸方式直接決定了充填開采的經濟性。對充填材料的選用和配比、流動性能進行研究，確定合理的配比對料漿輸送有著重要的意義。

1 輸送性能試驗

用于古城煤礦填充的煤矸石，應與粉煤灰、水泥按不同的配比組成充填料漿方可使用。使用前需進行充填料漿輸送性能試驗，包括沉降特性試驗、泌水率測試、流動度測試、坍落度測試 4 個部分[1]。

1.1 煤矸石樣品的采集與制備

煤矸石樣品從古城煤礦矸石山采集，未做脫水、干燥處理，為了真實反映矸石的級配特征，對試驗用的矸石進行二次破碎后，直接進行篩分。二次破碎后的煤矸石如圖 1 所示，煤矸石粒度分級如表 1 所列。

圖1 二次破碎后的煤矸石Fig.1 Coal gangue after secondary crushing

表1 煤矸石粒度分級Tab.1 Classification of particle size of coal gangue

由表 1 可知，二次破碎后的矸石粒徑 -5 mm 占比為 25.4%。從粒度表分析，破碎后的矸石級配范圍較大，如用于充填，無法保證料漿流動性、充填體強度和孔隙率。故需要再加工和篩分以便使煤矸石級配滿足料漿坍落度和流動性要求。根據混凝土粗骨料的級配經驗[2]，充填中煤矸石級配應控制 5～25 mm 和 -5 mm 的比例。充填實踐表明，-5 mm 的比例在 40% 左右時，級配和流動性最優，充填體密度最大，故加工后的煤矸石粒徑應為 -25 mm，并通過篩分將矸石 -5 mm 的比例控制到 40%。根據實踐經驗證明，充填體中常用水泥和粉煤灰比例為 1∶1～1∶4，粉煤灰和煤矸石比例為 1∶4～1∶10。

1.2 充填料漿沉降特性試驗

充填料漿的沉降特性試驗是十分有必要的，因為其沉降性能決定著充填體的穩定性，從而確定充填料漿達到穩定狀態時的起始質量分數[3]。對水泥、粉煤灰、煤矸石配比分別為 1∶1∶4、1∶1∶6、1∶1∶8、1∶1∶10、1∶2∶10、1∶3∶10、1∶4∶10，質量分數均為 70% 的料漿進行沉降特性試驗，測試充填料漿中粉煤灰含量和灰矸比對充填料漿沉降特性的影響。將配制均勻的樣品分別放入 500 mL 的量筒中，用礦漿攪拌棒在量筒中來回攪拌直至均勻混合，并用保鮮膜將量筒開口處密封以防止水分蒸發影響計算結果。每隔 10 min 記錄清水凈增量，清水總量，料漿量，計算沉降后的料漿質量分數以及料漿容重。

圖2 充填料漿沉降特性試驗Fig.2 Test for sedimentation characteristic of filling slurry

沉降特性試驗結果如表 2 所列。膏體充填料漿自然沉降曲線如圖 3 所示。

表2 沉降特性試驗數據Tab.2 Results of test for sedimentation characteristic

從表 2 可以看出，料漿中大粗顆粒沉降速度快，小細顆粒沉降速度慢，在試驗開始 40 min后，大粗顆粒已經沉降并到達緊密接觸狀態；1 h 后，懸浮在容器上部的小細顆粒也沉降到緊密接觸狀態，接著繼續觀察顆粒沉降；在 1 h 至 24 h 內，沉降量并無明顯增加。試驗表明：由于煤矸石粗顆粒很多，所以其初始下降速度很快，其細顆粒在沉降 1 h 后，也基本沉降完畢，即達到最大沉降質量分數。由圖 3(a) 可以看出，不同灰矸比對料漿的沉降性能有較大影響，其矸石比例越高，則充填料漿的最終沉降質量分數越大，這是因為矸石中粗顆粒較多，保持水分的能力較差，表明不離析、不分級、滿足結構流膠結充填要求的料漿起始質量分數一般較高；由圖 3(b) 可以看出，粉煤灰對充填料漿沉降特性的影響要比灰矸比的影響因素要大，這是由于粉煤灰具有很強的吸水性，導致其濾出的水較少，粉煤灰含量越多，則吸收的水分越多，從而減少了水分的流失，造成最終沉降質量分數也就越低。上述配比中，各個配比的充填料漿最大沉降質量分數為 81%～83%。

1.3 充填料漿泌水率試驗

泌水率是評價管路輸送性能好壞的重要參數，在輸送過程中以水、水泥和粉煤灰形成的潤滑層在充填體和管路間起著潤滑作用。如果泌水率過高，在輸送過程中，充填體的泵送壓力小于管壁的摩擦阻力時，管內會出現泌水分層現象從而造成骨料沉積堵塞管路，最終充填體無法沿輸送管向前移動至工作面，即說明充填體的保水性不好；如果泌水率過低，充填體保水性好，說明充填體中成分顆粒級配好，料漿不離析。王洪江等人的研究成果表明，充填材料的泌水率和潤滑層厚度存在以下關系[4]

式中：Br為泌水率，%；R為管道半徑，m；h為潤滑層厚度，m；Gw為水的密度，g/cm3；Cw為充填材料的質量分數，%；Gs為物料的密度，g/cm3。

靜置泌水率[4]

式中：Wb為泌水總質量，g；W為拌和的用水量，g；m為拌和的充填材料總質量，g；m1為試樣質量，g。

充填料漿泌水率試驗：①使用油脂將容量筒內壁潤滑，記錄下潤滑后容量筒質量；② 將漿體裝進容量筒并用搗棒搗實，然后放到振動臺上振至漿體表面泛漿；③擦凈容量筒外壁，秤出質量并記錄下數據；④ 將其放在水平無振動的地方，封好筒口；⑤使用吸管間隔 20 min 將容量筒中的泌水吸出，吸出后的水放入量筒中，記錄吸出水量，重復以上操作 9次，最后記錄吸水量累計值。泌水率試驗數據如表 3所列，各種因素對料漿泌水率的影響如圖 4 所示。

圖4 各種因素對料漿泌水率的影響Fig.5 Influence of various factors on bleeding ratio of slurry

表3 泌水率試驗數據Tab.3 Results of test for bleeding ratio

由圖 4 可以看出，灰矸比和粉煤灰摻量對料漿泌水率的影響較大，而料漿質量分數對泌水率的影響較小，說明影響料漿泌水率的重要因素在于充填材料。由圖 4(a) 可知，隨著充填體質量分數的升高，材料配比時的用水量減小，體系中水量降低，泌水率降低容易理解，但試驗中也出現相反現象，當材料配比相同時，82% 的充填體泌水率大于 80% 充填體的泌水率，說明泌水率和漿體質量分數并無明顯的相關關系；由圖 4(b) 可知，當充填材料中矸石比例較大時，其泌水率也較高。這是因為矸石比例較大，其細料占比就比較少，則拌和料中固體表面積與水體積之比就小，拌和料的初始泌水愈大；從圖 4(c) 可知，粉煤灰摻量越大，泌水率越低。粉煤灰在料漿中的比例越大，其漿體失水少，原因是料漿中的大顆粒骨料不易吸收水分，但是粉煤灰吸水性強，水倒入漿體初期，由于粉煤灰表面積大，水先將侵入粉煤灰顆粒中，然后才能侵入水泥和大顆粒煤矸石中，粉煤灰比例越大，漿體保水效果越好，粉煤灰有助于減小泌水。從料漿泌水率來看，水泥與粉煤灰摻量比值可為 1∶1～1∶2 之間，可以滿足泌水率要求。當料漿質量分數較低時，可視情況添加粉煤灰，增加料漿保水性。

1.4 充填料漿流動度試驗

料漿的流動性和穩定性是料漿輸送的重要保證，良好的流動性和穩定性是料漿輸送中不沉降、不離析、不脫水的重要保障和前提。在輸送過程中，往往由于料漿沉降而發生堵管，導致輸送故障；采場料漿離析而泌水，對充填體強度造成較大的影響。表征料漿流動性的指標有流動度，表征料漿穩定性的指標有坍落度。由于煤矸石粒度較粗，細粒級的含量較少，根據之前所做的沉降試驗、泌水率試驗，選取 78%～84% 的料漿進行流動度試驗。

將料漿試樣分 2 層裝入截圓錐模內，第 1 層占模高 2/3，用刀在相互垂直的方向分別劃 5 次，然后使用搗棒搗壓 15 次；裝第 2 層料漿，用同樣方法用小刀劃 5 次，再用搗棒搗壓 15 次，搗棒搗壓力度、方式和順序依據 GB/T 2419—2005《水泥膠砂流動度測定方法》中規定執行。搗壓完畢后，取下模套，使用小刀水平抹去高出截圓錐模的料漿，并清理周圍多余的料漿。垂直向上提起截圓錐模。用卡尺測量出 2 個垂直方向上的擴展直徑，并計算出平均值。該值就為此次試樣的流動度。整個試驗應在 2.5 min 內完成。

料漿中水泥、粉煤灰、煤矸石配比為 1∶2∶6，其流動性試驗如表 4 所列。

表4 料漿流動性試驗Tab.4 Test for fluidity of filling slurry

由表 4 可知，當料漿質量分數為 82% 時，其流動度為 241 mm，均勻性及流動性都比較好，基于水泥與粉煤灰配比 1∶2，當料漿質量分數過低出現離析時，可適當加入粉煤灰，增加料漿保水性。

1.5 充填料漿坍落度試驗

坍落度是充填料漿工作性能的一個重要參數[5]。坍落度低，表示料漿質量分數高，流動性差，這時流動過程中阻力大，不便于在管路中輸送。反之，坍落度高，表示料漿質量分數低，流動性好，但是充填料漿強度差，不利于充填體穩定。

一般情況下，漿體中粉煤灰、水泥含量多時，流動性強，塌落度大，為節約充填體成本，使用粉煤灰代替水泥時，就必須試驗弄清充填料漿各成分比例與料漿坍落度的關系。

充填料漿的質量分數是影響充填料漿輸送性能的一個重要指標。在充填料漿流動性試驗的基礎上，對充填料漿的坍落度進行試驗，以便下一步確定充填料配比試驗方案，為此進行了不同充填料漿配比的坍落度測定。第 1 組充填料漿：水泥、粉煤灰、煤矸石配比為 1∶2∶6，充填料漿質量分數為 78%～84%。第2 組充填料漿：粉煤灰摻量水泥、粉煤灰配置分別為1∶1、1∶2、1∶3、1∶4，灰矸比為 1∶6，充填料漿質量分數為 80%。

坍落度試驗方法：①用濕布抹濕坍落筒，通過漏斗將調配好的料漿分 3 層裝入坍落筒內，每層占桶高度 1/3，每層裝完后用搗棒由邊緣至中心插搗 25次，切忌用力沖擊，插搗時應均勻分布在界面上，插搗最底層時，搗棒應貫穿底部，插搗第 2 層和第 3 層時應插透本層并插入下層約 20～30 mm；② 坍落度筒裝滿插搗完后，抹平筒口，清除筒口和筒底多余的料漿；③在 10 s 內將坍落筒垂直提起，提起過程中不要使充填體受到橫向及扭力作用，從裝料到提筒整個過程在 2.5 min 內完成，將筒放在試樣旁；④ 用標尺量出試樣最高點離筒頂垂直距離，這個數值就是該試樣的坍落度。料漿表觀形態和料漿坍落度測定結果如圖 5 所示。不同粉煤灰摻量的料漿坍落度試驗如圖 6所示。料漿坍落度曲線如圖 7 所示。

由圖 5 和圖 7(a) 可知，料漿質量分數對材料最直接的影響就是隨著質量分數升高，料漿黏稠性增加，同時坍落度也隨之降低。料漿坍落度隨著質量分數的升高，降低趨勢加速，到最后甚至呈現松散狀態，表明其已失去流動性能。

圖5 不同質量分數的料漿坍落度試驗Fig.5 Test for slump of slurry with various mass fraction

由圖 6 和圖 7(b) 可知，隨著粉煤灰比例增大，料漿中細粉顆粒數量增多，導致整體表面積變大，需水量變多，整體黏聚性增強，骨料擴展度變小，整體表現出的塌落度變小?？傊?，小顆粒粉煤灰在料漿中阻礙了骨料位移，從而使坍落度減小。

圖6 不同粉煤灰摻量的料漿坍落度試驗Fig.6 Test for slump of slurry with various content of fly ash

圖7 料漿坍落度曲線Fig.7 Curve of slurry slump

一般來說良好可泵送性的料漿坍落度為 15～25 cm，由坍落度試驗可以看出：當水泥、粉煤灰、煤矸石配比為 1∶2∶6，質量分數為 80%、82% 時，其坍落度分別為 22.5、17.3 cm，滿足充填體輸送要求；當水泥、煤矸石配比為 1∶6，質量分數為 80%，水泥、粉煤灰配比為 1∶1、1∶2 時，其坍落度分別為24.2、19.8 cm，同樣滿足充填體輸送要求。因此，在進行充填材料配比設計時，為保證良好的漿體輸送性能，料漿質量分數最好為 80%～82%，粉煤灰摻量控制在 1∶1～1∶2。在實際情況中，也可以增大或者降低粉煤灰摻量以達到輸送要求。

3 結論

通過對充填料漿進行煤矸石粒度分析、充填料漿沉降特性試驗、泌水率試驗、流動度試驗以及坍落度試驗，可得出如下結論。

充填料漿中煤矸石粒度 -5 mm 的顆粒占比應控制為 40%，同時最大顆粒粒徑不得超過 25 mm；從沉降特性試驗來看，料漿沉降質量分數為 81%～ 83%時，其可達到充填要求；從泌水率試驗可以看出，灰矸比為 1∶4～1∶10 時，水泥與粉煤灰的比值在1∶1～1∶4 之間，可以滿足漿體泌水率 1.5%～ 4.5%的要求；從流動度和坍落度測定結果可看出，料漿質量分數為 78%～84% 時，料漿的流動性和穩定性最好。