煤矿采空区膏体充填材料制备试验研究

李绪萍 林庆博 张金山

(内蒙古科技大学矿业研究院，内蒙古自治区包头市，014010)

随着煤炭资源逐渐减少，“三下”采煤问题日益严峻[1]。一般“三下”压煤的采煤方法成本高、效率低、浪费严重[2]，且不能有效控制地表沉陷[3]。目前，国内大多数矿井均采用充填开采法解决相应问题[4-5]。

内蒙古乌海某煤矿6号煤层80%属于“三下”煤炭资源，充填区域位于工业广场东侧压煤区，东西长约270 m，南北宽约236 m，平均厚度为10.4 m，煤层产状平缓，埋深平均约185 m。煤层基本顶为中粒砂岩，厚度为22.4 m，岩性特性为灰白色，质地坚硬，具有水平波纹状层理；直接顶为泥岩，厚度为2.6 m，岩性特性为上部灰色、细腻， 中部浅灰色，可见植物化石；直接底为粉砂质泥岩，厚度为1.2 m，岩性特性为深灰色至灰黑色，赋存均匀，可见植物化石；基本底为粗砂岩，厚度为18.8 m，岩性特性为灰白色粗砂岩，主要成分为石英。笔者以粉煤灰为细料、煤矸石为骨料、含量为7%的水泥作为胶结料、电石渣为外加剂，通过大量试验制成了膏体充填材料，并进行了试样制备和性能测试，表明此种材料可以作为采空区充填材料使用，可以满足该煤矿对充填体28 d最低抗压强度5.3 MPa的要求。

1 充填材料原料的理化性质分析

1.1 粉煤灰的理化性质分析

试验用粉煤灰取自内蒙古乌海神华火力发电厂，氧化钙含量较高，属于C类粉煤灰，含水率为1.93%，烧失量为1.685%。利用XRD分析了粉煤灰的矿物成分，测试条件为Cu 靶，Ka辐射，扫描角度为10°～60°，扫描速度为0.02°/s，电压为10 kV，电流为100 mA。粉煤灰XRD衍射图谱如图1所示。

图1 粉煤灰XRD衍射图谱

由图1以看出，该种粉煤灰的主要成分为CaSO4和SiO2。

1.2 煤矸石的理化性质分析

试验所用煤矸石的粒径为0～10 mm的不规则块状体，采自内蒙古乌海某煤矿，其含水率为0.92%，烧失量为12.961%。煤矸石的XRD衍射图谱如图2所示。

由图2可以看出，该煤矸石主要由高岭土和SiO2构成。

1.3 外加剂的理化性质分析

试验选取的外加剂为电石渣，其中Ca(OH)2含量较高，所以能与粉煤灰结合发生火山灰反应，从而可以显著提高充膏体的强度。试验选用外加剂的含水率为6.47%，利用XRD分析了其矿物组成，外加剂的XRD衍射图谱如图3所示。

图2 煤矸石的XRD衍射图谱

图3 外加剂的XRD衍射图谱

由图3可以看出，外加剂主要由Ca(OH)2构成。

2 膏体充填材料配比试验

2.1 试验方案

试验选用材料为标号325的普通硅酸盐水泥、粉煤灰、煤矸石、外加剂，在室温为24℃、相对湿度为40%的条件下采用当地自来水进行制浆，将搅拌好的充填浆液倒入尺寸为70 mm×70 mm×70 mm的三联试模，根据该煤矿实验室提供的配方，制成标准试块若干。1 d后进行脱模，将试块放在室温为24 ℃的条件下覆膜养护，28 d后采用压力试验机进行单轴抗压试验，每组配方均有3个平行样本，测试结果取平均值。

由于该煤矿对充填浆料的质量浓度有要求，因此为了研究不同组分配方对充填材料性能的影响，得出最佳材料配比，保持充填浆料质量浓度为67%的条件下分别改变粉煤灰、水泥、外加剂掺量后对充填体性能进行测试。

2.2 试验结果及分析

2.2.1 粉煤灰掺量对膏体充填体性能的影响

试验保持煤矸石、水泥、外加剂质量比为14∶1∶1不变，逐渐减少粉煤灰含量，测试不同粉煤灰含量对膏体充填体性能的影响，共计9组配方，现选取有代表性的5组配方进行对比，对A组试验材料配比及28 d单轴抗压强度进行测试，粉煤灰掺量对膏体充填体性能的影响见表1。

表1 粉煤灰掺量对膏体充填体性能的影响

由表1可以看出，当煤矸石、水泥和外加剂含量不变且浆料质量浓度为67%时，28 d单轴抗压强度随着粉煤灰含量的减少而先增大后减小，可以看出A3组配方的抗压强度明显较好。

2.2.2 水泥掺量对膏体充填体性能的影响

试验保持煤矸石、粉煤灰、外加剂质量比为14∶10∶1 不变，改变水泥掺量，测试不同水泥含量对膏体充填体性能的影响，共计7组配方，现选取有代表性的5组配方进行对比，对B组试验材料配比及28 d单轴抗压强度进行测试，水泥掺量对膏体充填体性能的影响见表2。

表2 水泥掺量对膏体充填体性能的影响

由表2可以看出，当煤矸石、粉煤灰和外加剂含量不变且浆料质量浓度为67%时，28 d单轴抗压强度随水泥含量的增大而增大，且增量显著。由此看出普通硅酸盐水泥在制备膏体充填材料上起到了至关重要的作用，但出于成本考虑，充填膏体中水泥的掺量适量即可，因此选取B2组配方的水泥掺量。

2.2.3 外加剂掺量对膏体充填体性能的影响

由于外加剂中Ca(OH)2含量较高，易与粉煤灰发生水化反应，激活粉煤灰的活性。因此试验保持煤矸石、粉煤灰、水泥质量比为14∶10∶2不变，改变外加剂掺量，测试不同外加剂含量对膏体充填体性能的影响，共计5组配方，对C组试验材料配比及28 d单轴抗压强度进行测试，外加剂掺量对膏体充填体性能的影响见表3。

表3 外加剂掺量对膏体充填体性能的影响

由表3可以看出，当煤矸石、粉煤灰和水泥含量不变且浆料质量浓度为67%时，28 d单轴抗压强度随着外加剂含量的增大而增大，其中C3组试验结果与C2组试验结果相比强度明显增加；C4组试验结果与C3组试验结果相比，虽然增加了16.7%的外加剂掺量，但试验结果强度仅有小幅度提升，因此从经济角度考虑选取C3组配方。

2.3 充填材料最优配比

通过大量配比试验综合多方面技术因素得出结论，浆料质量浓度为67%时，煤矸石、粉煤灰、水泥、外加剂质量比为 14∶10∶2∶3，可作为充填材料的最优配比。

2.4 充填材料成本计算

以乌海当地材料价格作为参考，标号325普通硅酸盐水泥的价格为122元/t，外加剂的价格为100元/t，煤矸石与粉煤灰由乌海某煤矿与乌海火力发电厂免费提供。按照试验所得最优充填配比，经计算可得充填材料成本为18.75元/t。乌海某煤矿充填所用各组分材料均来自当地煤矿和火力发电厂，因此运输费用较低，且水泥用量较少，总成本低廉。可为国内同类型煤矿提供借鉴。

3 粉煤灰活性激发与水化反应机理

一般来说，粉煤灰只具有潜在的火山灰活性，需要在激发的条件下激发粉煤灰活性，激发方法通常有“物理激发”“化学激发”“热激发”[6]3种。本试验选择效果最好的化学激发方法进行试验。

试验中采用外加剂中的Ca(OH)2作为碱性激发剂，用以激发粉煤灰的活性，粉煤灰中的Si-O -Al、Si-O-Si和Al-O-Al在碱性条件下断裂形成游离的不饱和活性键，使活性的SiO2和Al2O3溶出，形成不同的络合物[7]；且本试验中选用的粉煤灰含有大量的CaSO4，会和Ca(OH)2与活性Al2O3发生反应生成钙矾石，产生胶凝作用，同时形成碱激发和硫酸盐激发[8]。

粉煤灰与水泥中的可溶性成分在水中溶解，产生大量阴离子和阳离子并发生化学反应，生成Ca(OH)2等水化产物，产生大量的热量，形成良好的温度条件。随着养护龄期的增长，该反应持续进行并进入粉煤灰内部，形成更多的水化产物，使得孔隙度降低，充填材料结构致密性增加，物理力学性能逐渐增强，直到粉煤灰中的活性物质完全水化[9]。

4 结论

(1)以煤矸石、粉煤灰、水泥和外加剂为主要原料进行膏体充填材料制备试验，使用粉煤灰、煤矸石等固体废弃物作为矿井充填材料的原料，可以节约生产成本。

(2)内蒙古乌海某煤矿采空区充填体28 d强度要求最低为5.3 MPa、充填浆料质量浓度为67%。试验在满足其浆料质量浓度的条件下，制备了煤矸石、粉煤灰、水泥、外加剂质量比为 14∶10∶2∶3 时所形成的充填体，其28 d强度达到5.71 MPa，达到该煤矿最低充填强度的需求。

(3)粉煤灰只有通过外加剂激发其活性才能更好的表现出其胶凝作用，外加剂中的氢氧化钙含量较高，可以作为碱性外加剂，试验选用粉煤灰含有大量硫酸钙，同时发生硫酸盐激发，对于粉煤灰的火山灰反应活性有较强的促进作用。