水泥矸石粉復合注漿材料的實驗研究

王學偉

（1.國家能源充填采煤技術重點實驗室 河北 邢臺 054000；2.河北煤炭科學研究院有限公司，河北 邢臺 054000；3.河北充填采礦技術有限公司，河北 邢臺 054000）

0 引言

1885 年注漿技術首次應用于礦山，德國人提琴斯采用向巖層裂隙注水泥漿防止涌水的方法取得成功。隨著注漿技術被礦山廣泛應用，注漿材料也得到了較大的發展，各種注漿材料相繼問世。到目前為止，注漿材料分為有機和無機2 類，由于有機注漿材料對地下水會造成不同程度的污染，在使用上受到了限制。無機注漿材料多以水泥為主，雖然材料來源廣泛，施工方便，無毒無害，但是這種材料價格偏高，生產過程消耗能源資源，而且在煅燒水泥熟料時會釋放大量的溫室氣體，嚴重污染環境。煤矸石是采煤過程和洗煤過程中排放的固體廢物，其主要成分是Al2O3、SiO2、Fe2O3、CaO、MgO等。中國積存煤矸石達10 億t 以上，每年還將排出煤矸石1 億t。因此，對煤矸石進行注漿性能研究，用煤矸石替代部分水泥作為新型注漿材料。

1 原 料

原材料選用冀中能源股份公司葛泉礦注漿水泥和煤矸石，各原材料化學成分見表1。

表1 原料化學成分Table 1 Chemical components of rawmaterials

2 粉磨細度

2.1 試驗方法

使用500 mm×500 mm 試驗室標準球磨機對葛泉礦煤矸石分別粉磨10、20、30、400 min，選用防治水注漿常用的20、60、100、190、320 目套篩篩網，采用干法手工篩測量篩余。

2.2 實驗結果

葛泉礦煤矸石不同研磨時間篩余試驗記錄見表2。根據表2 可知，煤矸石的平均細度隨研磨時間的增加而變細，但研磨時間40 min 的煤矸石中，除了20 目以上粗顆粒明顯減少外，其他細度的級配比例與研磨30 min 相比，并沒有較大變化，而在實驗中發現，研磨40 min 的矸石粉中出現細片狀篩余物，說明此時出現過粉磨狀態。

表2 葛泉礦煤矸石不同研磨時間篩余試驗記錄Table 2 Test records of different grinding time sieve of gangue from Gequan Mine

3 流動度

借鑒水泥凈漿流動度測定方法，取200 g 成品漿液攪拌均勻后，緩慢倒入光滑平面（玻璃） 上，靜置5 min，測量自由擴散比率（單位質量漿液中固體擴散的平均直徑），從而初步判斷漿液自由擴散性能。流動度試驗分2 組進行，第一組試驗保持水灰比1∶1 固定不變，矸石粉的摻加量從小到大按一定比例依次增加，結果如圖1 所示。第二組試驗保持矸石粉水泥比為2∶3 固定不變，水灰比從小到大按一定比例依次增加，結果如圖2 所示。

圖1 流動度隨矸石粉水泥比的變化Fig.1 Change of fluidity with gangue powder cement ratio

圖2 流動度隨水灰比的變化Fig.2 Change of fluidity with water cement ratio

根據圖1、圖2 可知，在水灰比相同的情況下，隨著煤矸石在固體物料中的比例不斷增加，漿液自由擴散比率減小；在水泥中煤矸石摻加量相同的漿液中，隨著漿液中水含量的不斷增大，漿液的自由擴散比率不斷增加。

4 漿液沉降速度

按水固比3∶2 制備漿液，將成品漿液靜置，分別測量固體物質在漿體中的沉降速度，并觀察其凝結狀態，從而簡單分析其在防治水中的應用效果。時間間隔取5、10、15、30 min，及1、2、4、8、24 h，結果見表3。

根據表3 可知，靜置狀態下，在水泥中摻入矸石粉后，漿液泌水速度減慢，隨著矸石摻加量的增加，漿液泌水速度和最終泌水量都不斷減小，泌水量由35.7%分別降至14.3%和15.7%，沉淀穩定所需時間分別由1 h 增加至2 h 和4 h。

表3 漿液沉降速度試驗記錄Table 3 Record table of slurry settling velocity test

5 強 度

按試驗方案制備的料漿倒入40 mm×40 mm×160 mm 的特制雙層可拆卸三聯試模中（下層為標準三聯試模，上層為無底座三聯試模，即取2 個標準三聯試模，將其中一個去掉底座后放置于下層三聯試模頂部），待泌水完成后，靜置6 h，再將上層無底座三聯試模移除，使用刮平尺將試塊刮平，放入恒溫恒濕養護箱中養護（溫度20±1℃，相對濕度大于等于90%），每組齡期試塊3 塊，養護3 d后，拆除試模，使用YAW4605 微機控制電液伺服壓力機測定3 d 試塊強度，將剩余7、14、28 d 齡期試塊放入恒溫恒濕養護箱中養護，試塊達到齡期后，按照相同方法測定相應齡期試塊的抗壓強度與抗折強度。

料漿強度試驗分2 組進行，第一組試驗保持水灰比1∶1 固定不變，煤矸石的摻加量從小到大按一定比例依次增加，各齡期試塊按要求進行破碎并做好記錄，結果如圖3 和圖4 所示。第二組試驗保持煤矸石水泥比為2∶3 固定不變，水灰比從小到大按一定比例依次增加，各齡期試塊按要求進行破碎并做好記錄，結果如圖5 和圖6 所示。

圖3 不同組分抗壓強度（組分5～8）Fig.3 Compressive strength of different components(component 5～8)

圖4 不同組分抗折強度（組分5～8）Fig.4 Flexural strength of different components(component 5～8)

圖5 不同組分抗壓強度（組分1～4）Fig.5 Compressive strength of different components(component 1～4)

圖6 不同組分抗折強度（組分1～4）Fig.6 Flexural strength of different components(component 1～4)

在濃度不變的條件下，隨著矸石粉摻加量的增加，固結體的強度不斷降低，當固體物料中加入80%矸石粉，沉淀物在7 d 內無法固結，后期雖然固結，但14 d 強度僅為0.28 MPa，28 d 強度僅為0.39 MPa；當固體物料中分別加入20%矸石粉，3 d 強度降低，28 d 強度降低28.1%；在不同濃度、相同煤矸石摻加量的漿液中，隨著加水量的不斷增加，固結體的強度也不斷降低。

6 結語

通過對煤矸石粉磨進行物理化學分析可知，煤矸石中主要含有CaO、SiO2、AI2O3等成分，具有潛在的活性，通過適當的方式可以將其活性激發。煤矸石的粉磨時間應控制在30 min 以下。隨著煤矸石摻加量的增加，注漿漿液流動度下降，可以通過添加減水劑來調節料漿的流動度，同時漿液泌水速度和最終泌水量都不斷減小，有利于漿液的輸送。在濃度不變的情況下，隨著矸石摻加量的增加，試塊的強度不斷降低。在不同濃度的漿液中、隨著加水量的不斷增加，試塊的強度也不斷降低。實際應用中應當調整水泥和矸石粉的配比，以達到既處理了工業固廢、又保證了工程質量的目的。