黄土膏体充填材料在充填工作面中的替代方案研究

黄土膏体充填材料在充填工作面中的替代方案研究

0粉煤灰资源的利用应注意的发展方向随着中国经济发展进入新水平，解决煤炭行业问题的环境能力和环境容量超标，19世纪的报告再次强调了科学开采。但是随着近年来膏体充填技术的发展与粉煤灰综合利用技术的推广,粉煤灰需求量逐渐超出生产量,价格也随之增长,影响了充填开采的经济效益,尤其是粉煤灰资源极度缺乏的西部地区。所以在不降低充填体强度的情况下,降低粉煤灰单耗量或寻求粉煤灰代用品,是充填技术的重要方向。黄土作为我国中西部地区最为常见的资源,分布面积广,厚度大,且与粉煤灰的主要化学成分类似,在与粉煤灰按照一定比例混合后能够在不降低充填体强度的情况下替代部分粉煤灰。骆亚生1填充材料的选择和实验方案1.1絮网与水化反应的作用对于矸石膏体充填材料而言,矸石颗粒粒径远大于水泥、粉煤灰等材料的粒径,且不与细微粒在水中产生水化反应,只是待胶凝絮网产生后,依附絮网,两者相互作用,形成一体结构。充填料浆的固化机理主要是指粉煤灰、黄土与水泥在生石灰与水反应生成Ca(OH)水泥的反应:(生成物C—S—H在常温下呈凝胶状物质)添加石膏的情况下:粉煤灰、黄土的反应:1.2水泥、水泥等不同规格的石充填材料选取要求成本低,来源丰富,且制作方便,此试验制备矸石取自山西某矿选煤厂,经二级破碎后取矸石颗粒小于10mm以下为试验用矸石,凝胶材料为普通325硅酸盐水泥,粉煤灰为热电厂生产标准二级粉煤灰,生石灰为普通钙质石灰,黄土为Q3黄土。膏体充填料浆制备主要技术指标如表1所示。1.3填充材料的比例影响充填料浆性能的因素包括水、粉煤灰、黄土、矸石及凝胶材料水泥、生石灰CaO的含量,即水固比Q2充填料浆性能分析按照试验设计方案配置料浆,因水固比为1∶1.2时测定充填料浆的泌水率及凝结时间均过大,不符合膏体充填的要求,所以试验主要针对水固比为1∶1.4及1∶1.6时的参数进行对比分析,如表3、表4所示。2.1固比及水固比对泌水率的影响泌水性反映了料浆的析水性能。膏体在输送过程中需要析出一部分水形成润滑层以减小沿程阻力,一般不大于3%～5%。根据表3和表4,当水固比为1∶1.4时,土灰比为3∶2的条件下,试样Ⅳ-1～Ⅴ-2测得泌水率>5%,不满足膏体充填材料制备对泌水率的要求,当固相比为1∶5和2∶5时,初凝及终凝时间较长;当水固比为1∶1.6时,试样泌水率基本≤5%,符合膏体充填材料制备对泌水率的要求,但当固相比为1∶5和2∶5时,初凝及终凝时间较长,均不建议采用。由图1可知,泌水率与水固比的变化呈正相关;当土灰比相同时,泌水率随水泥增量的变化程度较小;固相比相同时,泌水率会随黄土的增加而减小,说明使用一定量的黄土替代粉煤灰时,黄土自身的亲水性会提高充填膏体的和易性。2.2水固比对料浆坍落度的影响煤矿膏体充填流动性要求膏体必须达到一定量的坍落度,通常要求200～250mm,以满足充填泵送工艺的需求。由图2可知,水固比为1∶1.4时,坍落度偏大,流动性较好,随水泥用量的变化其内部反应不同而导致坍落度先减小后增大;水固比为1∶1.6时,坍落度呈现逐渐减小的趋势,说明水的用量对充填料浆内部化学反应有影响;从图2纵坐标可看出,坍落度在水泥含量一定时,随着黄土含量的增加而基本呈线性减小。2.3稳定性充填膏体的稳定性主要是指不离析,不分层。此试验矸石膏体充填料浆属于浓悬浮体系2.4水泥增量比q在充填材料的各项指标中,充填体的强度是最为重要的一个指标,为了满足采空区顶板支护需要,后期强度应大于4.27MPa,利用正交试验结果分析不同因素和水平对试验结果的影响为:Q由图4(a)可知,强度随水泥增量基本呈线性正相关,水泥含量越多,则强度越大;由图4(b)可知,随黄土含量的增加强度先增大后减小,在土灰比为4∶2时存在最优值,此时黄土与粉煤灰在碱性溶液中的反应生成的灰土化合物(三合土)最多,对充填体的后期强度起到增强作用。综合以上分析,细矸含量为40%时,稳定性最好,矸石颗粒基本悬浮不下沉,当水固比为1∶1.6、固相比为5∶5、土灰比为4∶2时,膏体充填材料配比为最优选择,28d强度达到5.5MPa,大于4.27MPa,完全满足要求。2.5材料早期强度添加剂主要的作用是缩短凝结时间,降低泌水率,增强材料早期强度。为了探究添加剂由表5可知,在不同添加剂的情况下,坍落度、泌水率及初/终凝时间均有所降低,由图5可知,添加CaSO3推进地表下沉山西某矿九采区走向长约3.3～4km,倾向宽约1.9km,面积约6.8km九采区4901带式充填试采工作面使用水固比为1∶1.6、固相比为5∶5、土灰比为4∶2的充填料浆进行充填后,工作面上方观测站多次观测地表下沉得出:当工作面推进50m时,地表下沉量最大仅23.6mm;推进100m时,地表最大下沉值为62.7mm;当推进至150m时,地表最大下沉值为128.4mm;当推进至300m时,地表最大下沉值为263.2mm;当推进至450m时,地表最大下沉值为303.8mm。以上均为某一时刻的最大下沉值,最大下沉系数为0.15左右,对比之前三采区开采最大下沉系数0.73而言,能够有效减弱因开采而造成的地表损害(见图6),且相比传统膏体充填节省50余万元。4充填料浆性能试验(1)黄土作为粉煤灰的替代品,廉价易获取,替换后膏体充填的各项指标从实验室测试及现场应用来看完全可行。(2)通过正交配比试验,在满足安全生产并尽可能提高充填膏体性能、降低成本的前提下,得出水固比为1∶1.6,固相比