煤矸石制充填材料配比试验探究

黄晓鹏，盖鹏艳

（滕州郭庄矿业有限责任公司锦丘煤矿，山东 滕州 277599）

0 引言

充填开采是一种有效缓解地表沉陷的技术手段，对煤炭绿色开采、提高资源回收率、降低环境污染均有重要意义[1]。充填材料也在不断发展，从传统的木垛、料石堆积，发展到膏体材料。膏体充填的优势有：流动性好，便于充填作业；强度较高，能够形成支撑作用。其弊端也很明显：成本巨大，因此很多煤矿对该技术的应用望而却步，进而对煤炭资源造成了大量的浪费[2]。如何降低充填材料的成本成为当今充填开采研究的热门课题，如何降低充填材料的形变，如何提高充填材料的强度，都是研究的重中之重[3]。我国煤炭储量丰富，煤层赋存差距大，地质条件复杂，因此，以煤矸石为主充填材料的研究迫在眉睫。

1 充填材料的基本性质

本试验研究原料均选自锦丘煤矿，分别为煤矸石，粉煤灰，水泥。

1.1 煤矸石粒径分布测试

以锦丘煤矿煤矸石为测试样品，用粒级组成分析测定煤矸石颗粒组成尺寸及含量，测试方法为振筛筛分法。采用7种不同的孔径进行筛分，分别为0.15、0.3、0.6、1.18、2.36、4.75、9.5 mm。试验前，将煤矸石样品在鼓风干燥箱中干燥，直到恒重为止。振动时，每次取样2 kg，时间为15 min，直至每一级筛网筛余部分未发生较大变化为止，最后，将所有分级后的煤矸石样品收集分类、干燥，计算收率。振筛结果见表1。

表1 煤矸石筛分粒级分布测试结果

式中：MX为细度模数。

经计算，煤矸石样品细度模数MX=4.137，略高于天然粗砂。

1.2 煤矸石、粉煤灰真密度测试

1.2.1 试验步骤

煤矸石、粉煤灰（采用煤油介质）密度测定依据标准为冶标Y B-373-75。

试验步骤如下：①将25 ml的比重瓶用洗液洗净，烘干之后，用感量为万分之一克的天平称量，得比重瓶的质量m1；②取已烘干的试样放入瓶中，试样装入量为容积的1/3左右，称出瓶和试样的质量m2；③向瓶内注入蒸馏水（煤油），达容积的2/3，在热水浴中煮沸，除去试样上附着的气泡。经静置冷却后，再将蒸馏水注满至瓶口，塞上瓶塞，使水（煤油）从瓶塞上的毛细管中溢出，才说明瓶中已装满水（煤油）。擦干瓶外的水分，称比重瓶、试样及水（煤油）的质量为m3；④从瓶中倒出水（煤油）和试样，洗净后装满蒸馏水（煤油），称瓶和水（煤油）的质量m4。计算公式：

式中：ρo为物料的真密度，g/cm3；m1为比重瓶的质量，g；m2为比重瓶和试样的质量，g；m3为比重瓶、试样和水（煤油）的质量，g；m4为比重瓶和水（煤油）的质量，g；ρ'为介质的密度，g/cm3。

1.2.2 试验结果

通过3次真密度试验取平均值测定锦丘煤矿煤矸石、粉煤灰的真密度，测定结果见表2、表3所示。

采用Philips Achieva3.0T磁共振仪对所有患者实施MR检查，在检查前4～6h内需禁食。患者膀胱适度充盈，在检查时保持仰卧位，扫描范围包括耻骨联合至脐部，行横断面、冠状位及矢状位扫描。参数设定：T1WI：TR 120ms～160ms，TE13ms，翻转角角度为70°；T2WI：TR 3000ms～5000ms，TE 95ms～120ms，层厚为5mm～7mm，间隔1mm，矩阵为320×256，视野23×23cm2，采集1至3次。MR检查结果由科室两名资深医师负责判断，分析并记录不同不同病灶的信号特征，并判断病变性质，与手术证明进行比较[3]。

表2 煤矸石真密度测试结果

表3 粉煤灰真密度测试结果

由表可知，煤矸石真密度为2.595 g/cm3，粉煤灰真密度2.469 g/cm3。

1.3 堆密度试验

取已经烘干的煤矸石、粉煤灰样品，测定堆密度依据建筑用砂国家标准：G B/T14684-2011，经3次测试取平均值，测得锦丘煤矿煤矸石样品的堆密度为1.097 g/cm3，详细数据见表4、表5。

表4 煤矸石堆密度的测试结果

表5 粉煤灰堆密度的测试结果

1.4 孔隙率的计算

空隙率依据建筑用砂国家标准：G B/T 14684-2011。计算公式：

式中：n为空隙率，%；γ为试样的堆密度，kg/m3；ρo为试样的真密度，kg/m3

根据试验数据和空隙率计算公式，锦丘煤矿煤矸石的空隙率为47.67%，粉煤灰的空隙率结果为79.59%。

1.5 小结

1）筛分后的锦丘煤矿粉煤灰粒度组成，+4.75 mm占30.49%，-1.18 mm以下占了17.72%。测得煤矸石细度模数MX=4.137，且破碎后，粒度属于细碎石。

2）测得锦丘煤矿煤矸石真密度为2.595 g/cm3，粉煤灰真密度为2.469 g/cm3。

3）测得锦丘煤矿煤矸石空隙率为47.67%。粉煤灰的空隙率结果为79.59%。

2 煤矸石胶结充填配比试验

2.1 试验材料

2）胶凝材料：水泥（矿方提供）。

3）水：煤矸石澄清水及自来水。

2.2 小样试验结果与分析

充填料浆浓度是决定充填开采技术成功与否的重要指标之一，需要满足料浆在管道内的流动性要求，避免堵管，降低料浆管路运输成本[4-7]。根据前期小样试验表6结果分析可得，浓度为76%时，可以满足泵送要求，拟定配比试验浓度为76%。

表6 浓度76%、79%充填配比试验结果

2.3 配比试验方案设计

骨料的级配条件是影响充填体强度的重要因素[8-9]。在锦丘煤矸石、粉煤灰性能测定的基础上，通过采用不同配比，进行塌落度、泌水率、屈服应力等试验，使充填体达到膏体状，以此满足充填泵送的前提要求[10]；然后在室内进行充填体试块制作，测定养护期分别为1、3、7、28 d时的充填体单轴抗压强度（28 d≧3.3 MPa），然后通过技术经济综合分析，得到锦丘煤矸石、粉煤灰胶结充填的最优配比参数。

根据小样试验结果，根据单位体积下不同的煤矸石、粉煤灰、水泥、水用量，设计配比试验方案，其中煤矸石、粉煤灰骨料，水泥作为胶凝材料，煤矸石和粉煤灰用量比为5∶1;单位体积水泥用量为0.23、0.25、0.27 t/m3，浓度为76%。由于井下环境阴冷潮湿，充填体经常受到淋水[11]。为了尽量模拟真实井下环境，采用恒温恒湿养护箱进行养护，以确保试验结果的准确性，湿养护箱的温度保持在20°～24℃之间，湿度为92%。

2.4 配比试验结果与分析

配比试验的目的是确定胶凝材料（水泥）和骨料（煤矸石和粉煤灰）充填最优配比参数，包括每方胶凝材料用量、骨料用量、质量浓度等。试验结果见表7，单轴抗压强度如图2所示。

表7 煤矸石、矿方水泥胶结充填配比试验结果

图2 76%浓度不同水泥用量强度指标

分析可得：当煤矸石和粉煤灰用量比为5∶1时、单位体积水泥用量为0.23～0.27 t/m3、浓度76%时，为最佳配比，既满足易和性，也满足泵送和抗压强度的要求，且7 d强度满足大于3.3 MPa的要求，28 d强度最小5.78 MPa高于3.3 MPa的要求。

3 结论

1）锦丘煤矿筛分后粉煤灰粒度组成为：+4.75 mm占30.49%，-1.18 mm以下占了17.72%。煤矸石细度模数MX=4.137，煤矸石破碎后粒度略高于天然粗砂。

真密度测定值为2.595 g/cm3，粉煤灰真密度为2.469 g/cm3。煤矸石空隙率为47.67%，粉煤灰的空隙率结果为79.59%。

2）煤矸石和粉煤灰的最佳配比为5∶1，单位体积水泥用量为0.23～0.27 t/m3，浓度为76%，此时既满足易和性，也满足泵送和抗压强度的要求，且试验所用煤矸石、粉煤灰胶结充填浆体泌水率都小于2%，说明试验所取浓度较高，达到膏体充填的目标。