西铭矿42206沿空留巷巷旁高水充填材料性能研究

2022-01-19李磊波

当代化工研究 2022年1期

＊李磊波

（山西焦煤集团西山煤电屯兰矿山西 030206）

引言

煤炭行业对于采空区和废弃巷道的传统处理办法一直是自然垮落法，近年来，随着煤炭行业科学技术的发展，同时为了响应国家绿色开采的号召，越来越多的煤矿选择充填开采处理采空区和废弃巷道。沿空留巷是将上一个工作面的运输顺槽重复利用，但是需要高性能的巷旁充填体支撑。

新型高水填料（以下简称高水填料）是一种在高水泥系数条件下能快速凝固的无机填料。它是中国矿业大学“七五”和“八五”国家科技攻关项目的研究成果。材料本身和相关技术得到了改进，并在阳泉、徐州、长治、晋中、焦作、吕梁等多个矿务局现场实施，现场反馈留巷的效果比较好。

在沿空留巷技术中应用高水充填材料，相比较与矸石沿空留巷和混凝土沿空留巷，有着新的技术上的优势：施工过程中的工艺系统相对简单，不需要太多的初始投资；远距离传输，机械化的程度比较高；减少矿井水处理和排放的相关费用，符合国家节能减排优惠政策；充填体能适应顶板下沉，保持留巷的整体稳定性；有效将留巷与采空区隔离，提高矿井生产安全性[2]。

苗鹏以祥升煤业6201综采工作面为背景，分析了高水充填沿空留巷巷旁充填体作用机理，认为巷旁充填体有一定的支护强度和可缩性，能够适应巷道顶板运动规律；贾海平在同昌煤矿15104工作面的应用实践表明，高水充填材料在沿空留巷中应用，经济上来说是合理的；黄正栋等实验室内研究了不同配比下改性混凝土的单轴抗压强度发现聚合物乙烯-醋酸乙烯共聚物（EVA）改善了巷旁充填体混凝土材料的塑性变形能力，钢纤维提高了混凝土的延性；西铭矿针对42206沿空留巷工作面开发研究了一种新型高性能高水充填材料，并在实验室开展了相关测试[3]。

1.新型高水充填材料简介

高水材料被分成甲、乙两个组分，单纯的甲料或者乙料遇水24h内不会发生凝结，所以在一定的条件下避免了由材料本身原因造成的输送管路堵塞，但是甲料浆体和乙料浆体一旦相互混合就会快速地硬化。使用时甲、乙两种料按1:1的比例配合使用，在干燥条件下，材料可以存放3个月不变质。与其它的水泥浆体混合充填材料相比，新型高水材料具有着以下的特点：

（1）只要水灰比足够高，材料的结石率能达到100%；

（2）浆体材料的凝结所需时间短，并且浆体凝结早期的强度比较高，同时其强度可以根据工程需要进行调配，1.5:1水灰比的新型高水材料比以前材料强度提高20%以上；

（3）浆体材料的塑性性能比较好，当材料单轴施加压力其应变达到10%时，材料的残余强度还能基本维持在其峰值强度的65%以上；

（4）凝结后的浆体具有微膨胀性。高水材料无毒、无害、无腐蚀性。甲料的pH值为9～10，为弱碱性；乙料的pH值为11～12，为碱性。清洗管路时污水具有弱碱性，对矿井水质不影响。

2.速凝早强测试

高水材料的甲、乙两种组份单独加水搅拌后，放置长时间也不会凝固，但只要当两种浆体发生混合后，在20min内即可实现初凝。实验室标准测试条件下（配制水灰比为1.5:1），材料的初凝时间可人为控制在15min以内，在2h以后，其抗压强度能达到2.1MPa，在24h以后，其抗压强度能达到5.6MPa，放置一周，其抗压强度能达到10.36MPa，一个月左右，其抗压强度基本稳定在10.82MPa。在两种浆体混合一天之后，其抗压强度已经达到其最终强度的50%以上，一周之后的抗压强度可达到其最终强度的90%以上[4]。

高水浆体充填材料的强度随时间变化关系详见图1。

图1 高水材料各龄期强度

3.抗压强度与水灰比的关系

图2为7d龄期时高水材料的配制水灰比和配制完成之后的单轴抗压强度关系图。从图2中可以明显看出，高水材料的配制水灰比和单轴抗压强度呈现出非线性的反比关系，配制的水灰比越小，配置时水的用量越少，凝结之后的强度就越高。相反水灰比越大，用水量越多，凝结体强度就越小，单位体积充填需要使用的高水材料越少[5]。

图2 高水材料单轴抗压强度与配制水灰比的关系

对于普通的水泥和混凝土来说，经常使用的配制水灰比的范围在0.5:1～0.75:1之间，在这种配制条件下，材料的抗压强度一般在30MPa～50MPa。

我们可以根据图中得到的配置水灰比和强度的关系，在不同限制条件下，采用不同的水灰比来控制其强度的范围。

4.高水浆体充填材料的形变性能

在默认的配置水灰比比例为1.5:1的前提条件下，实验室内利用MTS815刚性伺服机测试得出材料的全应力应变曲线，同时可以看出材料的变形特点。

图3告诉我们，高水材料不仅具有一般材料的弹性阶段，同时还有能够维持的塑性强度特征。也就是说，在外部施加的载荷达到一定值时，浆体材料本身并没有完全的丧失其承载能力。而是随着其本身应变的不断增加，浆体材料的承载能力表现出一种较为缓慢的下降趋势，同时随着浆体材料自身应变的增加，其承载能力的下降速度远远要小于一般的混凝土或者是岩石材料。

图3 高水材料全应力应变曲线

高水浆体充填材料在配制的水灰比比例为1.5:1时，其最大抗压强度大约为10.36MPa，当材料由于外部载荷使得应变达到0.1时，材料本身的残余强度依然能够维持在最大抗压强度的65%以上，当最大应变达到0.18时，材料的残余应力还能维持在峰值应力的59%，由此可见：材料在试验过程中显现出了较为明显的塑性特征[6]。在高应力大变形的情况下，高水浆体充填材料还可以允许其本身发生一定程度的塑性形变，在这个阶段，浆体材料的塑性强度衰减的相对缓慢，所以能够维持较高的残余强度。

5.高水浆体充填材料的反应热

测量各种过程中所涉及的热量和热容量的方法被称为量热法。在实际测量热量和热容量的过程中，大多是测量外部系统吸收热量后温度的变化。常温下的测量用等温量热计或非等温量热计。测量温度不同的物体相互接触时吸收或放出的热量，用非等温量热计量出其温度变化的数值[8]。

图4是由量热法测得的高水浆体充填材料在水化时的放热曲线。

图4 高水浆体充填材料的放热曲线

由图4可知，当高水材料混合后开始放热反应，在25min左右后出现放热高峰，放热最高温度为63℃，放热原因主要是矿物的Ca-O与O-H键重新排列组合，以后稳定持续一段时间后，然后温度逐渐降低。

从图4也可以看出，高水材料发生放热反应最高温度没有超过65℃，其反应最高温度远低于《煤矿加固煤岩体用高分子材料（AQ 1089-2011）》要求的140℃，材料使用能够满足煤矿要求。

6.高水浆体充填材料巷旁充填沿空留巷技术

相对于较为传统的矸石沿空留巷技术以及混凝土沿空留巷技术来说，新型高水浆体充填材料沿空留巷技术显现出以下明显优势：

(1)施工过程中的工艺系统相对简单，不需要太多的初始投资

高水浆体充填材料沿空留巷技术基本上不需要相对太多的施工设备，其主要的设备是地面上的搅拌桶和双液泵以及输送充填材料的相应尺寸的管路而已。相比于其他的沿空留巷技术，工艺系统非常简单，设备初期投资很少，能够为企业节省出一大部分的人力物力。

(2)远距离传输，机械化的程度比较高

高水浆体充填材料应用于沿空留巷工艺，用水量比较大、所以其流动性比较好，能够容易地通过管路进而直接输送到工作面后方的采空区，单浆液在长时间内也不会凝结，所以能够实现浆体的长距离泵送运输，可以做到“只要管路能到达的地方，充填浆液就能到达”，所以高水材料巷旁充填沿空留巷技术能够很好地适应复杂的井下生产环境，机械化程度高，构筑充填体的劳动强度低。