水泥矸石粉复合注浆材料的实验研究

王学伟

（1.国家能源充填采煤技术重点实验室 河北 邢台 054000；2.河北煤炭科学研究院有限公司，河北 邢台 054000；3.河北充填采矿技术有限公司，河北 邢台 054000）

0 引言

1885 年注浆技术首次应用于矿山，德国人提琴斯采用向岩层裂隙注水泥浆防止涌水的方法取得成功。随着注浆技术被矿山广泛应用，注浆材料也得到了较大的发展，各种注浆材料相继问世。到目前为止，注浆材料分为有机和无机2 类，由于有机注浆材料对地下水会造成不同程度的污染，在使用上受到了限制。无机注浆材料多以水泥为主，虽然材料来源广泛，施工方便，无毒无害，但是这种材料价格偏高，生产过程消耗能源资源，而且在煅烧水泥熟料时会释放大量的温室气体，严重污染环境。煤矸石是采煤过程和洗煤过程中排放的固体废物，其主要成分是Al2O3、SiO2、Fe2O3、CaO、MgO等。中国积存煤矸石达10 亿t 以上，每年还将排出煤矸石1 亿t。因此，对煤矸石进行注浆性能研究，用煤矸石替代部分水泥作为新型注浆材料。

1 原 料

原材料选用冀中能源股份公司葛泉矿注浆水泥和煤矸石，各原材料化学成分见表1。

表1 原料化学成分Table 1 Chemical components of rawmaterials

2 粉磨细度

2.1 试验方法

使用500 mm×500 mm 试验室标准球磨机对葛泉矿煤矸石分别粉磨10、20、30、400 min，选用防治水注浆常用的20、60、100、190、320 目套筛筛网，采用干法手工筛测量筛余。

2.2 实验结果

葛泉矿煤矸石不同研磨时间筛余试验记录见表2。根据表2 可知，煤矸石的平均细度随研磨时间的增加而变细，但研磨时间40 min 的煤矸石中，除了20 目以上粗颗粒明显减少外，其他细度的级配比例与研磨30 min 相比，并没有较大变化，而在实验中发现，研磨40 min 的矸石粉中出现细片状筛余物，说明此时出现过粉磨状态。

表2 葛泉矿煤矸石不同研磨时间筛余试验记录Table 2 Test records of different grinding time sieve of gangue from Gequan Mine

3 流动度

借鉴水泥净浆流动度测定方法，取200 g 成品浆液搅拌均匀后，缓慢倒入光滑平面（玻璃） 上，静置5 min，测量自由扩散比率（单位质量浆液中固体扩散的平均直径），从而初步判断浆液自由扩散性能。流动度试验分2 组进行，第一组试验保持水灰比1∶1 固定不变，矸石粉的掺加量从小到大按一定比例依次增加，结果如图1 所示。第二组试验保持矸石粉水泥比为2∶3 固定不变，水灰比从小到大按一定比例依次增加，结果如图2 所示。

图1 流动度随矸石粉水泥比的变化Fig.1 Change of fluidity with gangue powder cement ratio

图2 流动度随水灰比的变化Fig.2 Change of fluidity with water cement ratio

根据图1、图2 可知，在水灰比相同的情况下，随着煤矸石在固体物料中的比例不断增加，浆液自由扩散比率减小；在水泥中煤矸石掺加量相同的浆液中，随着浆液中水含量的不断增大，浆液的自由扩散比率不断增加。

4 浆液沉降速度

按水固比3∶2 制备浆液，将成品浆液静置，分别测量固体物质在浆体中的沉降速度，并观察其凝结状态，从而简单分析其在防治水中的应用效果。时间间隔取5、10、15、30 min，及1、2、4、8、24 h，结果见表3。

根据表3 可知，静置状态下，在水泥中掺入矸石粉后，浆液泌水速度减慢，随着矸石掺加量的增加，浆液泌水速度和最终泌水量都不断减小，泌水量由35.7%分别降至14.3%和15.7%，沉淀稳定所需时间分别由1 h 增加至2 h 和4 h。

表3 浆液沉降速度试验记录Table 3 Record table of slurry settling velocity test

5 强 度

按试验方案制备的料浆倒入40 mm×40 mm×160 mm 的特制双层可拆卸三联试模中（下层为标准三联试模，上层为无底座三联试模，即取2 个标准三联试模，将其中一个去掉底座后放置于下层三联试模顶部），待泌水完成后，静置6 h，再将上层无底座三联试模移除，使用刮平尺将试块刮平，放入恒温恒湿养护箱中养护（温度20±1℃，相对湿度大于等于90%），每组龄期试块3 块，养护3 d后，拆除试模，使用YAW4605 微机控制电液伺服压力机测定3 d 试块强度，将剩余7、14、28 d 龄期试块放入恒温恒湿养护箱中养护，试块达到龄期后，按照相同方法测定相应龄期试块的抗压强度与抗折强度。

料浆强度试验分2 组进行，第一组试验保持水灰比1∶1 固定不变，煤矸石的掺加量从小到大按一定比例依次增加，各龄期试块按要求进行破碎并做好记录，结果如图3 和图4 所示。第二组试验保持煤矸石水泥比为2∶3 固定不变，水灰比从小到大按一定比例依次增加，各龄期试块按要求进行破碎并做好记录，结果如图5 和图6 所示。

图3 不同组分抗压强度（组分5～8）Fig.3 Compressive strength of different components(component 5～8)

图4 不同组分抗折强度（组分5～8）Fig.4 Flexural strength of different components(component 5～8)

图5 不同组分抗压强度（组分1～4）Fig.5 Compressive strength of different components(component 1～4)

图6 不同组分抗折强度（组分1～4）Fig.6 Flexural strength of different components(component 1～4)

在浓度不变的条件下，随着矸石粉掺加量的增加，固结体的强度不断降低，当固体物料中加入80%矸石粉，沉淀物在7 d 内无法固结，后期虽然固结，但14 d 强度仅为0.28 MPa，28 d 强度仅为0.39 MPa；当固体物料中分别加入20%矸石粉，3 d 强度降低，28 d 强度降低28.1%；在不同浓度、相同煤矸石掺加量的浆液中，随着加水量的不断增加，固结体的强度也不断降低。

6 结语

通过对煤矸石粉磨进行物理化学分析可知，煤矸石中主要含有CaO、SiO2、AI2O3等成分，具有潜在的活性，通过适当的方式可以将其活性激发。煤矸石的粉磨时间应控制在30 min 以下。随着煤矸石掺加量的增加，注浆浆液流动度下降，可以通过添加减水剂来调节料浆的流动度，同时浆液泌水速度和最终泌水量都不断减小，有利于浆液的输送。在浓度不变的情况下，随着矸石掺加量的增加，试块的强度不断降低。在不同浓度的浆液中、随着加水量的不断增加，试块的强度也不断降低。实际应用中应当调整水泥和矸石粉的配比，以达到既处理了工业固废、又保证了工程质量的目的。