黃土膏體充填材料在充填工作面中的替代方案研究

黃土膏體充填材料在充填工作面中的替代方案研究

0粉煤灰資源的利用應(yīng)注意的發(fā)展方向隨著中國經(jīng)濟發(fā)展進入新水平，解決煤炭行業(yè)問題的環(huán)境能力和環(huán)境容量超標，19世紀的報告再次強調(diào)了科學開采。但是隨著近年來膏體充填技術(shù)的發(fā)展與粉煤灰綜合利用技術(shù)的推廣,粉煤灰需求量逐漸超出生產(chǎn)量,價格也隨之增長,影響了充填開采的經(jīng)濟效益,尤其是粉煤灰資源極度缺乏的西部地區(qū)。所以在不降低充填體強度的情況下,降低粉煤灰單耗量或?qū)で蠓勖夯掖闷?是充填技術(shù)的重要方向。黃土作為我國中西部地區(qū)最為常見的資源,分布面積廣,厚度大,且與粉煤灰的主要化學成分類似,在與粉煤灰按照一定比例混合后能夠在不降低充填體強度的情況下替代部分粉煤灰。駱亞生1填充材料的選擇和實驗方案1.1絮網(wǎng)與水化反應(yīng)的作用對于矸石膏體充填材料而言,矸石顆粒粒徑遠大于水泥、粉煤灰等材料的粒徑,且不與細微粒在水中產(chǎn)生水化反應(yīng),只是待膠凝絮網(wǎng)產(chǎn)生后,依附絮網(wǎng),兩者相互作用,形成一體結(jié)構(gòu)。充填料漿的固化機理主要是指粉煤灰、黃土與水泥在生石灰與水反應(yīng)生成Ca(OH)水泥的反應(yīng):(生成物C—S—H在常溫下呈凝膠狀物質(zhì))添加石膏的情況下:粉煤灰、黃土的反應(yīng):1.2水泥、水泥等不同規(guī)格的石充填材料選取要求成本低,來源豐富,且制作方便,此試驗制備矸石取自山西某礦選煤廠,經(jīng)二級破碎后取矸石顆粒小于10mm以下為試驗用矸石,凝膠材料為普通325硅酸鹽水泥,粉煤灰為熱電廠生產(chǎn)標準二級粉煤灰,生石灰為普通鈣質(zhì)石灰,黃土為Q3黃土。膏體充填料漿制備主要技術(shù)指標如表1所示。1.3填充材料的比例影響充填料漿性能的因素包括水、粉煤灰、黃土、矸石及凝膠材料水泥、生石灰CaO的含量,即水固比Q2充填料漿性能分析按照試驗設(shè)計方案配置料漿,因水固比為1∶1.2時測定充填料漿的泌水率及凝結(jié)時間均過大,不符合膏體充填的要求,所以試驗主要針對水固比為1∶1.4及1∶1.6時的參數(shù)進行對比分析,如表3、表4所示。2.1固比及水固比對泌水率的影響泌水性反映了料漿的析水性能。膏體在輸送過程中需要析出一部分水形成潤滑層以減小沿程阻力,一般不大于3%～5%。根據(jù)表3和表4,當水固比為1∶1.4時,土灰比為3∶2的條件下,試樣Ⅳ-1～Ⅴ-2測得泌水率>5%,不滿足膏體充填材料制備對泌水率的要求,當固相比為1∶5和2∶5時,初凝及終凝時間較長;當水固比為1∶1.6時,試樣泌水率基本≤5%,符合膏體充填材料制備對泌水率的要求,但當固相比為1∶5和2∶5時,初凝及終凝時間較長,均不建議采用。由圖1可知,泌水率與水固比的變化呈正相關(guān);當土灰比相同時,泌水率隨水泥增量的變化程度較小;固相比相同時,泌水率會隨黃土的增加而減小,說明使用一定量的黃土替代粉煤灰時,黃土自身的親水性會提高充填膏體的和易性。2.2水固比對料漿坍落度的影響煤礦膏體充填流動性要求膏體必須達到一定量的坍落度,通常要求200～250mm,以滿足充填泵送工藝的需求。由圖2可知,水固比為1∶1.4時,坍落度偏大,流動性較好,隨水泥用量的變化其內(nèi)部反應(yīng)不同而導致坍落度先減小后增大;水固比為1∶1.6時,坍落度呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢,說明水的用量對充填料漿內(nèi)部化學反應(yīng)有影響;從圖2縱坐標可看出,坍落度在水泥含量一定時,隨著黃土含量的增加而基本呈線性減小。2.3穩(wěn)定性充填膏體的穩(wěn)定性主要是指不離析,不分層。此試驗矸石膏體充填料漿屬于濃懸浮體系2.4水泥增量比q在充填材料的各項指標中,充填體的強度是最為重要的一個指標,為了滿足采空區(qū)頂板支護需要,后期強度應(yīng)大于4.27MPa,利用正交試驗結(jié)果分析不同因素和水平對試驗結(jié)果的影響為:Q由圖4(a)可知,強度隨水泥增量基本呈線性正相關(guān),水泥含量越多,則強度越大;由圖4(b)可知,隨黃土含量的增加強度先增大后減小,在土灰比為4∶2時存在最優(yōu)值,此時黃土與粉煤灰在堿性溶液中的反應(yīng)生成的灰土化合物(三合土)最多,對充填體的后期強度起到增強作用。綜合以上分析,細矸含量為40%時,穩(wěn)定性最好,矸石顆粒基本懸浮不下沉,當水固比為1∶1.6、固相比為5∶5、土灰比為4∶2時,膏體充填材料配比為最優(yōu)選擇,28d強度達到5.5MPa,大于4.27MPa,完全滿足要求。2.5材料早期強度添加劑主要的作用是縮短凝結(jié)時間,降低泌水率,增強材料早期強度。為了探究添加劑由表5可知,在不同添加劑的情況下,坍落度、泌水率及初/終凝時間均有所降低,由圖5可知,添加CaSO3推進地表下沉山西某礦九采區(qū)走向長約3.3～4km,傾向?qū)捈s1.9km,面積約6.8km九采區(qū)4901帶式充填試采工作面使用水固比為1∶1.6、固相比為5∶5、土灰比為4∶2的充填料漿進行充填后,工作面上方觀測站多次觀測地表下沉得出:當工作面推進50m時,地表下沉量最大僅23.6mm;推進100m時,地表最大下沉值為62.7mm;當推進至150m時,地表最大下沉值為128.4mm;當推進至300m時,地表最大下沉值為263.2mm;當推進至450m時,地表最大下沉值為303.8mm。以上均為某一時刻的最大下沉值,最大下沉系數(shù)為0.15左右,對比之前三采區(qū)開采最大下沉系數(shù)0.73而言,能夠有效減弱因開采而造成的地表損害(見圖6),且相比傳統(tǒng)膏體充填節(jié)省50余萬元。4充填料漿性能試驗(1)黃土作為粉煤灰的替代品,廉價易獲取,替換后膏體充填的各項指標從實驗室測試及現(xiàn)場應(yīng)用來看完全可行。(2)通過正交配比試驗,在滿足安全生產(chǎn)并盡可能提高充填膏體性能、降低成本的前提下,得出水固比為1∶1.6,固相比