神東礦區(qū)黃土山砂基膏體充填材料試驗

李思恒 吳 銳

（江西理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院）

為了促進(jìn)生態(tài)礦山建設(shè)，國家大力倡導(dǎo)推廣充填開采技術(shù)［1-2］。數(shù)十年來，該技術(shù)經(jīng)歷了從干式充填、水力充填發(fā)展到今天的膠結(jié)充填，膠結(jié)充填采礦技術(shù)也經(jīng)歷了由低濃度向高濃度，最后向膏體充填采礦技術(shù)發(fā)展的過程［3-7］，如今，膏體充填成為了全球礦業(yè)發(fā)展的新方向。

降低充填成本作為充填采礦技術(shù)發(fā)展的一個永恒主題［2］，有學(xué)者為此開展了以爐渣、黃土、粉煤灰等為主料的低廉充填凝膠材料研究［8］。在前人以黃土為膏體充填材料研究的基礎(chǔ)上，本研究以我國西北地區(qū)豐富的黃土山砂為膏體充填材料開展了充填工藝技術(shù)可行性研究。

1 黃土山砂基充填材料

膏體充填材料的物理力學(xué)性質(zhì)和化學(xué)成分對膏體的流動性能、速凝特性有重要影響，因此，精確測定黃土山砂基充填材料的物理力學(xué)性質(zhì)和化學(xué)成分，定性評價與分析充填材料充填性能是試驗的基礎(chǔ)工作［10］。試驗用黃土取自陜西榆林神木市大柳塔鎮(zhèn)某山坡。試驗用膠凝材料為神東礦區(qū)混凝土攪拌站所使用的P.O42.5硅酸鹽水泥。

1.1 物理力學(xué)性質(zhì)

黃土、山砂顆粒體積分?jǐn)?shù)見表1和表2。

從表1、表2可以看出，山砂-76 μm粒級占比為27.08%，粒度中等偏細(xì)，適合作為細(xì)骨料制備充填膏體；黃土-76 μm粒級占比為88.32%，屬于超細(xì)砂，可以在膏體中適量添加作為運移介質(zhì)。從級配的角度看，山砂顆粒的不均勻系數(shù)小于5，顆粒分布較均勻但連續(xù)性不佳。黃土顆粒的不均勻系數(shù)大于5，顆粒不均勻，曲率系數(shù)滿足1＜Cc＜3，顆粒分布連續(xù)，黃土適合作為充填材料。

1.2 化學(xué)成分分析

充填材料的主要化學(xué)成分分析結(jié)果見表3、表4，XRD圖譜見圖1。

從表3、表4可以看出：①山砂的SiO2含量為57.85%，含量較高，穩(wěn)定性較好，有利于提高充填體的強度。②黃土的主要成分也是SiO2，含量高達(dá)53.15%，其含量是影響顆粒強度的主要因素，而充填材料的性質(zhì)與組成成分密切相關(guān)，且兩者表現(xiàn)為正相關(guān)關(guān)系［9］，黃土中的CaAl2Si2O8·4H2O遇水情況下顆粒結(jié)構(gòu)會被破壞，從而會導(dǎo)致整體強度降低。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 膏體流動性試驗

塌落度、塌落擴(kuò)散度及稠度值可以很好地衡量膏體的流動性能，因此進(jìn)行了塌落度和稠度試驗，為開展膏體速凝特性研究作準(zhǔn)備。

黃土、山砂基膏體流動性試驗方案見表5，在水泥、黃土、山砂質(zhì)量比為1∶1∶20情況下不同濃度膏體的測試過程見圖2，根據(jù)試驗方案，分別對不同水泥、黃土、山砂質(zhì)量比（1∶1∶10、1∶2∶10、1∶1∶20、1∶2∶20）的黃土山砂基膏體進(jìn)行試驗，試驗結(jié)果見圖3。

從圖3可以看出，黃土、山砂基充填料漿的塌落度、塌落擴(kuò)散度和稠度隨著膏體質(zhì)量濃度的提高呈下降趨勢。根據(jù)項目需求并結(jié)合試驗情況，為保證高濃度膏體可以有效地進(jìn)行管道輸送，推薦充填漿料的塌落度為15～20 cm?；谠囼灁?shù)據(jù)確定的水泥、黃土、山砂質(zhì)量配合比1∶1∶10、1∶2∶10、1∶1∶20、1∶2∶20，對應(yīng)的最佳濃度分別為84.5%、83.5%、82.0%、83.5%，塌落度分別為16.7、17.1、15.2、15.3 cm。

2.2 膏體速凝特性試驗

回采工作面隅角充填所用膏體如果短時間可以凝固，則在隅角堆積后可以良好自立，有利于封堵漏風(fēng)，減少充填材料的使用。為保證膏體能迅速形成具有一定強度的充填體，密封隅角，封堵兩道漏風(fēng)，制備黃土山砂基膏體，選取多種速凝劑加入膏體中，定性確定最佳速凝劑類型。

通過流動性試驗確定了不同配比下黃土山砂基膏體的最佳濃度，以其中一種灰砂比為例，按試驗所需骨料和配比確定水泥的用量，在此基礎(chǔ)上根據(jù)使用說明中速凝劑與水泥的質(zhì)量比確定4種速凝劑的添加量，并設(shè)置空白對照組進(jìn)行速凝劑選型（表6）。稱取試驗所需材料并制備添加不同速凝劑的料漿，養(yǎng)護(hù)30 min后取樣置于容器中，使用維卡儀進(jìn)行第一次測試，借助維卡儀測試膏體的強度，待其達(dá)到強度要求（針沉至距底板3～5 mm）后記錄每組樣品的初凝時間，最終確定適用于黃土山砂基膏體的最佳速凝劑，試驗方案見表，試驗過程見圖4，用水泥、黃土、山砂按質(zhì)量比1∶1∶10配制質(zhì)量濃度為84.5%的膏體，添加不同速凝劑后的初凝時間見圖5。

注：速凝劑添加量為與水泥的質(zhì)量百分比。

從圖5可以看出，不添加速凝劑的膏體初凝時間為147 min，添加混凝土早強劑、液體速凝劑、混凝土速凝劑和J85型速凝劑后，膏體的初凝時間分別為140、116、112、100 min，J85型速凝劑促凝效果最好。

3 結(jié)論

（1）黃土山砂基膏體在水泥、黃土、山砂質(zhì)量比分別為1∶1∶10、1∶2∶10、1∶1∶20、1∶2∶20情況下對應(yīng)的適宜膏體質(zhì)量濃度分別為84.5%、83.5%、82.0%、83.5%。

（2）黃土山砂基膏體中添加混凝土速凝劑、J85速凝劑、液體速凝劑和混凝土早強劑，J85型速凝劑能更快地促進(jìn)膏體初凝。

（3）黃土、山砂作為膏體充填材料是可行的，黃土可發(fā)揮運移介質(zhì)作用。若需用黃土作為膏體充填料，應(yīng)注意嚴(yán)格限制用量，且應(yīng)添加固化劑對黃土進(jìn)行改性，使其更適用于井下膏體充填。