膠結充填材料性能研究及配比優化

許健飛，張羅斌，郭亞奔

（1.中國礦業大學 礦業工程學院，江蘇 徐州 221116；2.煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，江蘇 徐州 221116）

在煤礦開采和選煤廠作業中，會產生大量煤矸石，占煤炭產量的15%，通常作為固體廢棄物排放到地面，形成矸石山[1]。大量的煤矸石對環境造成很大的危害，包括土地占用、地質沙漠化和生態破壞等問題[2-4]。膠結充填開采技術作為充填開采技術的重要組成部分[5]，能有效控制地表沉陷，最大限度地減少礦山固體廢棄物的排放。因此，膠結充填技術已成為全球礦業領域的技術熱點和發展新動向[6]。尋求廉價、高效的膠結材料，探究各組分之間的最優配比，提高經濟效益，已成為礦山企業協調發展的重要環節[7-8]。

我國的許多學者已經對多種不同膠結充填材料及配比進行了大量研究。孫希奎等[9]采用均勻設計方法開展了28 組試驗，研究粉煤灰、水泥、矸石的不同配比對坍落度、分層度、泌水率、充填體早期強度和長期強度的影響規律；吳立波等[10]基于正交試驗開展赤泥-粉煤灰充填材料配比優化，使用MATLAB進行線性回歸預測和3D 可視化模型建立得出影響赤泥基充填體強度、塌落度、泌水率的因素及回歸方程；史俊偉等[11]運用正交試驗的方法定量確定了水泥、粉煤灰和煤矸石不同配比和濃度對煤矸石充填體各性能指標的敏感程度，以及各指標隨各因素的變化趨勢；齊兆軍等[12]以水泥、石膏、生石灰和礦渣為膠結劑制備充填料漿，在分析材料物化特性的基礎上，開展3 因素5 水平正交試驗，借助Design expert 軟件得出了充填體早期強度影響因素的敏感性排序。由于膠結充填材料組成及配比上的差異會造成其性能的千差萬別，因此，研究充填體性能的影響因素及使性能最優的配比對于膠結充填采煤法的發展具有重要作用。

為此，以云崗煤礦為工程背景，采用四因素四水平正交試驗設計進行配比優化，通過正交試驗結果極差分析探究濃度、粉煤灰、水泥、生石灰對料漿的輸送性能與力學特性的影響規律，并得出各因素顯著性大小關系及優組合，再加入一定梯度含量的2種添加劑分別進行試驗，最終得出使膠結充填材料性能最優的配比[13-15]，為礦山的膠結充填開采提供重要的配比依據。

1 正交試驗

1.1 試驗材料

云崗煤礦膠結充填開采工作面為CT3401，位于3#煤層404-2 盤區，煤矸石取自云岡煤礦掘矸和洗矸形成的混矸，經破碎篩分至25 mm 以下，粒徑級配曲線如圖1。粉煤灰來自于附近電廠，水泥和白灰為購置所得。

圖1 煤矸石粒徑級配曲線Fig.1 Gradation curve of coal gangue particle size

1.2 試驗方案

根據以往配比經驗，本次正交試驗選取的因素與水平見表1。按照正交試驗表進行配制，測定充填料漿的輸送性能：塌落度、泌水率、初凝時間以及終凝時間[16]；測定充填料漿的力學特性：充填料裝入尺寸為70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm 標準的三聯鐵模具中，每組配比制作12 個試件，靜置24 h 后脫模。將試件放置在恒溫恒濕養護箱中分別養護1、3、7、28 d，養護溫度設定為18～22 ℃，濕度不小于95%。到規定齡期后，采用WAW-1000D 萬能試驗機以0.5 mm/min 速率進行加載，測定試塊的單軸抗壓強度，取均值作為最終結果，以此來衡量充填體的強度。正交試驗結果見表2。

表1 正交試驗表Table 1 Orthogonal test table

表2 正交試驗結果Table 2 Orthogonal test results

2 正交試驗結果分析

按照云崗煤礦膠結充填材料設計原則，塌落度要求200～250 mm，以滿足充填泵送工藝的需求，塌落度過大說明充填材料的黏聚力較低，容易產生離析現象，影響充填體強度；過小對長距離運輸、泵送等有不利影響[17]；泌水率≤7%，泌水率反映了料漿的析水性能。充填料漿在輸送過程中需要析出一部分水形成潤滑層以減小沿程阻力；初凝時間在4 h左右，終凝時間小于8 h，若充填料漿凝結過快，則有可能還未到達待充采空區就已經凝結，從而造成充填管路的堵塞，影響充填作業；若充填料漿凝結時間過長，則其有可能在較長的一段時間內還呈液態，致使充填擋墻失穩，無法保證采場作業的安全性[18]。單軸抗壓強度是表征充填體結構穩定性的決定性參數之一，而早期強度對于提高礦山產量及減少作業周期尤為重要，根據充填目的不同，對充填體的強度要求也不一樣。針對本次試驗礦山要求，1 d 強度≥1 MPa，28 d強度≥3.95 MPa[9]。

根據表2，各組試驗塌落度范圍250～282 mm，泌水率范圍9.81%～33.19%，初凝時間范圍5.5～8 h，終凝時間范圍8～14 h。1 d 抗壓強度在0.23～1.53 MPa 之間，3 d 抗壓強度在0.81～3.23 MPa 之間，7 d抗壓強度在1.08～3.57 MPa 之間；28 d 抗壓強度范圍較大，在2.55～10.81 MPa 之間。

將正交試驗結果進行極差分析，通過計算各因素不同水平的總響應值Kij（j 表示因素，i 表示水平）和平均值Kˉij，并根據Kˉij值求出因素水平對應指標的極差R，根據R 值的大小可以得到這些影響因素的主次順序、因素顯著性等信息。得出的各試驗指標的影響因素敏感性分析曲線如圖2。各因素對測試指標的顯著性及優組合見表3。

表3 各因素對測試指標的顯著性及優組合Table 3 Significance and optimal combination of various factors to test indicators

圖2 各試驗指標的影響因素敏感性分析曲線Fig.2 Sensitivity analysis curves of influencing factors of each test index

1）塌落度的主要影響因素是料漿質量分數，隨著料漿質量分數升高，料漿中的自由水減少，顆粒間的相互作用距離均值變小，導致料漿的內摩擦力增大，黏度增大，塌落度減小[19]。

2）泌水率的主要影響因素是料漿質量分數，隨著料漿質量分數的增大，料漿的泌水率明顯減小。一方面固體拌合物摻量的增加，可以減少充填料混合后的孔隙，從而降低集料的孔隙率，使料漿的保水性得到增強；另一方面拌合水的減少降低了料漿中自由水的量，使得結合水與吸附水的含量相對較高，料漿不易離析，泌水率有效降低。

3）初凝時間和終凝時間的主要影響因素是料漿質量分數與生石灰含量，一方面生石灰所含主要成分CaO 能夠發生吸水反應降低充填材料中的自由水分；另一方面其水化產生的Ca（OH）2為弱堿性物質，溶解后能形成OH-，使料漿堿性增強，促進粉煤灰水化[16]。此外，氧化鈣與水反應的過程中會放出熱量，在一定程度上能夠促進水泥和粉煤灰的水化，從而加快凝結過程。

4）不同齡期充填體抗壓強度的主要影響因素是水泥含量，這是因為水泥水化反應的進行，其產生的水化產物較多，增加了充填試塊內部結構的緊密性，提高了充填體的抗壓強度。

綜上，確定使膠結充填材料性能最優的影響因素水平：料漿質量分數、水泥最優水平分別為84%、10%，粉煤灰含量最優水平為45%或50%，考慮成本選擇45%；生石灰含量最優水平為2%或6%，考慮成本選擇2%。所以通過極差分析可得，膠結充填材料最優配比為料漿質量分數84%、粉煤灰含量45%、水泥含量10%、生石灰含量2%。

3 配比優化試驗

參照云崗煤礦膠結充填材料性能指標要求，經正交試驗和極差分析得出的綜合性能最好的配比明顯還存在塌落度、泌水率過大，初凝、終凝時間過長的問題，因此，需要在此基礎上進行優化試驗，即在正交試驗得出的綜合性能最好的配比基礎上分別加入1%～4% 4 個梯度的速凝劑，再測出每組配比的輸送性能和力學特性指標，得出滿足要求的最佳優化配比。配比優化試驗表見表4。配比優化試驗結果見表5。

表4 配比優化試驗表Table 4 Proportion optimization test table

表5 配比優化試驗結果Table 5 Proportion optimization test results

為便于分析速凝劑摻量對充填材料輸送性能及力學特性的影響規律，根據表5 分別作出充填材料各試驗指標變化規律圖，優化試驗各試驗指標變化規律如圖3。

圖3 優化試驗各試驗指標變化規律圖Fig.3 Diagrams of the change rule of each test index of the optimization test

1）膠結充填材料的塌落度、泌水率、初凝時間、終凝時間均隨著速凝劑摻量的增大明顯降低，即在優化試驗中的第4 組取得最小值，分別為230 mm、5.02%、3 h、5 h。泌水率、初凝時間、終凝時間在速凝劑摻量為3%處折線斜率最大，即變化最為顯著，而塌落度在速凝劑摻量為2%處減小最快。以上變化規律說明速凝劑能使膠結充填材料的輸送性能明顯增強。

2）齡期為1、3、7 d 的充填體強度的變化規律大致相同，均隨著速凝劑摻量的增大而先增大后減小，且在速凝劑摻量為3%處達到峰值，1 d 為1.477 MPa，3 d 為3.237 MPa，7 d 為4.235 MPa。齡期為28 d 的充填體強度隨著速凝劑摻量的增大而逐漸減小，在速凝劑摻量為4%處取得最小值5.868 MPa。以上變化規律說明，充填材料的前期強度隨著速凝劑摻量增大而逐漸增大，后期強度與之相反[20]，但速凝劑的用量也需要控制在合理的范圍內，過量的速凝劑反而會使強度降低。

綜上，優化試驗方案中速凝劑摻量為3%、4%時輸送性能均符合要求，而摻量為3%的配比強度要更好，成本也更低，綜合考慮選取膠結充填材料的最優配比為料漿質量分數84%，粉煤灰含量45%、矸石含量40%、水泥含量10%、生石灰含量2%、速凝劑含量3%。

4 結 語

1）正交試驗結果表明，料漿質量分數是影響塌落度、泌水率、初凝時間的主要因素，生石灰含量是影響終凝時間的主要因素。水泥含量是不同齡期充填體養護強度的主要因素，原因是水泥水化反應的進行，其產生的水化產物較多，增加了充填試塊內部結構的緊密性，提高了充填體的抗壓強度。

2）優化試驗結果表明，充填材料的前期強度隨著速凝劑摻量增大而逐漸增大，后期強度則與之相反，且速凝劑的過量使用反而會使強度降低。

3）通過正交試驗及配比優化試驗得到，膠結充填材料的最優配比為料漿質量分數84%、粉煤灰含量45%、矸石含量40%、水泥含量10%、生石灰含量2%、速凝劑含量3%。