利用黄河泥沙制备煤矿充填材料试验研究.pdf

分类号 密 级 UDC 单位代码 10078 华北水利水电大学硕士学位论文 利用黄河泥沙制备煤矿充填材料试验研究 EXPERIMENTAL STUDY ON THE PREPARATION OF COAL MINE FILLING MATERIALS BY USING THE YELLOW RIVER SAND 研 究 生 姓 名 王 青 峰 指导教师 邢振贤教授 王丽梅副教授 专业名称 市政工程 所 在 学 院 土木与交通学院 2016 年 5 月 万方数据 万方数据 万方数据 万方数据 摘 要 I 利用黄河泥沙制备煤矿充填材料试验研究 摘摘 要要 本文提出的利用黄河泥沙制备煤矿充填材料， 主要是为了解决黄河库区泥沙淤积和 现有煤矿充填材料原材料来源不足问题，而研发的一种新型煤矿充填材料。黄河泥沙煤 矿充填材料由普通硅酸盐水泥、粉煤灰、黄河泥沙、水和外加剂组成，为满足泵送要求 需要料浆具有良好的流动性及和易性，为满足煤矿充填开采作业的连续性需要充填材料 的凝结时间和抗压强度符合设计要求，因此黄河泥沙煤矿充填材料需要满足以下指标 坍落度为 260280 mm，不泌水，初凝时间为 24 h，终凝时间为 68 h，抗压强度不低 于 6 MPa。 室内试验的主要内容分为两部分，第一部分是在未添加外加剂情况下，通过原材料 最佳掺量的优选试验和正交试验两种试验方法设计试验配合比并成型试块，测试拌合物 的坍落度、泌水率、凝结时间和基本力学性能，分析原材料掺量对黄河泥沙煤矿充填材 料拌合物的和易性和基本力学性能的影响规律，确定黄河泥沙煤矿充填材料的最佳配合 比，作为基础试验组；第二部分是在添加外加剂情况下，通过单因素试验设计方法确定 减水剂、促凝剂和激发剂三种外加剂的最佳掺量，再将三种外加剂掺量作为变量，利用 正交试验设计因素水平正交表 L933，按照表中配合比成型多组试块，测试坍落度、泌 水率、凝结时间和基本力学性能，分析三种外加剂对黄河泥沙煤矿充填材料拌合物的和 易性和基本力学性能的影响规律，结合实际情况确定试验最优配合比为水泥掺量 400 kg/m3、粉煤灰掺量 400 kg/m3、黄河泥沙掺量 800 kg/m3、水掺量 400 kg/m3、减水剂掺 量 4 kg/m3、促凝剂掺量 8 kg/m3、激发剂掺量 8 kg/m3。 要实现将黄河泥沙煤矿充填材料应用于煤矿采空区的充填，除了需要实验室研究得 到配合比外，还需要进行室外模拟试验。以实验室配合比为基础，在室外进行了 0.8 0.8 0.8m3立方体大试块成型试验和充填池现场充填试验。试验表明，实验室提供的 配合比可以满足工程施工要求，利用黄河泥沙制备煤矿充填材料在技术上是可行的。 关键词煤矿采空区；充填材料；黄河泥沙；凝结时间；正交试验 万方数据 华北水利水电大学硕士学位论文 II 万方数据 BSTRACT III EXPERIMENTAL STUDY ON THE PREPARATION OF COAL MINE FILLING MATERIALS BY USING THE YELLOW RIVER SAND ABSTRACT In this paper, the use of the Yellow River silt to prepare coal mine filling materials is a new type of coal mine filling materials research and development to solve the problem of sediment deposition in the Yellow River reservoir area and the existing coal mine filling material shortage. The Yellow River silt coal mine filling material is prepared by ordinary portland cement, fly ash, the Yellow River silt, water and admixture. In order to satisfy the requirement of pumping, the slurry has good flowability and workability. In order to satisfy the need of continuous operation, the setting time and compressive strength of filling materials meet the design requirements. Therefore, the Yellow River silt coal mine filling material need to meet the following indicators the slump is 260280mm, no bleeding, the initial setting time is 24h, the final setting time is 68h, the compressive strength of not less than 6MPa. Indoor experiment is divided into two parts. The first part is in the absence of additives. In the case, designing test mix proportion and molding test block by two kinds of test s, the optimization experiment on the best content of raw materials and the orthogonal test. Testing mixture slump, bleeding rate, setting time and mechanical properties, analysis of influence of raw material content on workability and basic mechanics perance of the Yellow River silt coal mine filling material. Determining the optimum mix ratio of the Yellow River silt coal mine filling material is as the basis of the experimental group. Second is in the case of adding additives, through the single factor experiment design to determine the optimum dosage of water reducing agent, accelerator and activator. Three admixture dosage as variable, orthogonal test design factors and levels of orthogonal table L933. According to the matching ratio in the table, we can a multi set of test blocks. Testing mixture slump, bleeding rate, setting time and mechanical properties, we can analyze the influence of three kinds of admixtures on the workability and basic mechanics perance of the Yellow River silt coal mine filling material. Combined with the actual situation to determine the optimal 万方数据 华北水利水电大学硕士学位论文 IV mix ratio for the test is cement 400 kg/m3, fly ash 400 kg/m3, the Yellow River silt 800 kg/m3, water 400 kg/m3, water reducing agent 4 kg/m3, coagulant 8 kg/m3, activator 8 kg/m3. In order to realize the Yellow River silt coal mine filling material used in the coal mine goaf, in addition to the need of laboratory research, outdoor simulation tests are needed. On the basis of laboratory mix ratio, the ation test of 0.8 * 0.8 * 0.8 m3 cube big test block and the field filling test of filling pool were carried out. The experiment shows that the mix ratio of the laboratory can meet the engineering construction requirements, the use of the Yellow River silt to prepare coal mine filling material is feasible. KEY WORDS Mined out area of coal mine; Filling material; The Yellow River silt; Setting time; Orthogonal test 万方数据 目 录 I 目 录 摘 要 ................................................................................................................................... I ABSTRACT ......................................................................................................................... III 1 绪论 ...................................................................................................................................1 1.1 研究背景 ..................................................................................................................1 1.1.1 黄河泥沙煤矿充填材料概念 ..........................................................................1 1.1.2 黄河泥沙煤矿充填材料的优势 ......................................................................2 1.2 煤矿充填材料研究现状 ...........................................................................................2 1.3 研究目的及意义 ......................................................................................................4 1.4 研究内容和技术路线 ...............................................................................................5 1.4.1 研究内容 ........................................................................................................5 1.4.2 技术路线 ........................................................................................................6 2 原材料 ...............................................................................................................................7 2.1 原材料 ......................................................................................................................7 2.1.1 水泥 ................................................................................................................7 2.1.2 粉煤灰 ............................................................................................................7 2.1.3 黄河泥沙 ........................................................................................................8 2.1.4 外加剂 ............................................................................................................8 2.2 充填料浆的制备及试件制作 ....................................................................................9 3 黄河泥沙煤矿充填材料基准配合比设计 ........................................................................ 11 3.1 优选试验原材料最佳掺量 ..................................................................................... 11 3.1.1 普通硅酸盐水泥最佳掺量研究 .................................................................... 11 3.1.2 粉煤灰最佳掺量研究 ................................................................................... 12 3.2 黄河泥沙煤矿充填材料配合比设计 ...................................................................... 13 3.3 正交试验结果 ........................................................................................................ 15 3.4 正交试验结果分析 ................................................................................................. 15 3.4.1 各因素对黄河泥沙煤矿充填材料坍落度的影响 ......................................... 15 3.4.2 各因素对黄河泥沙煤矿充填材料泌水率的影响 ......................................... 16 3.4.3 各因素对黄河泥沙煤矿充填材料凝结时间的影响 ..................................... 17 3.4.4 各因素对试件抗压强度的影响 .................................................................... 18 3.4.5 正交试验结果小结 ....................................................................................... 20 3.5 本章小结 ................................................................................................................ 21 4 外加剂对充填材料性能的影响 ....................................................................................... 23 4.1 单因素试验设计 .................................................................................................... 23 4.1.1 减水剂为影响因素的单因素试验设计 ........................................................ 23 4.1.2 促凝剂为影响因素的单因素试验设计 ........................................................ 26 4.1.3 激发剂为影响因素的单因素试验设计 ........................................................ 28 4.2 正交试验设计 ........................................................................................................ 30 4.3 正交试验结果 ........................................................................................................ 31 4.4 正交试验结果分析 ................................................................................................. 32 4.4.1 各因素对黄河泥沙煤矿充填材料坍落度的影响 ......................................... 32 万方数据 华北水利水电大学硕士学位论文 II 4.4.2 各因素对黄河泥沙煤矿充填材料泌水率的影响 ......................................... 33 4.4.3 各因素对黄河泥沙煤矿充填材料凝结时间的影响 ..................................... 33 4.4.4 各因素对充填料浆试块抗压强度的影响 .................................................... 35 4.4.5 正交试验结果小结 ....................................................................................... 37 4.5 本章小结 ................................................................................................................. 38 5 大试块成型及充填池充填试验 ....................................................................................... 39 5.1 大试块成型试验 .................................................................................................... 39 5.1.1 试块成型方法 ................................................................................................ 39 5.1.2 充填材料工作性能及强度检测 ..................................................................... 39 5.2 室外充填池充填试验 .............................................................................................. 40 5.2.1 原材料的准备 ............................................................................................... 40 5.2.2 充填材料搅拌系统 ....................................................................................... 41 5.2.3 充填料浆泵送系统 ....................................................................................... 42 5.2.4 充填池 .......................................................................................................... 42 5.2.5 充填池试验过程 ........................................................................................... 43 5.2.6 现场取样试验结果及分析 ........................................................................... 44 5.3 现场试验中存在的问题及分析 ............................................................................. 44 5.4 本章小结 ................................................................................................................ 44 6 结论与展望 ...................................................................................................................... 47 6.1 结论 ........................................................................................................................ 47 6.2 展望 ........................................................................................................................ 48 攻读硕士学位期间发表的学术论文及参加的科研项目 .................................................... 49 致 谢 ................................................................................................................................... 51 参考文献 ............................................................................................................................. 53 万方数据 目 录 I 1 绪论 1.1 研究背景 1.1.1 黄河泥沙煤矿充填材料概念 利用黄河泥沙制备煤矿充填材料，是在高浓度胶结充填材料的基础上发展起来的一 种新型煤矿充填材料。它是一种高工作性抗离析性能好的充填材料，主要由黄河泥沙替 代高浓度胶结充填材料中的煤矸石形成[1]。施工时由现场拌和机直接制备充填料浆，配 制好的料浆经过充填泵加压后，从井筒管道或者地面钻孔输送到井下，通过充填管路将 充填料浆输送至充填区域[2]，利用充填料浆自身的超高流动性和自密实性能将充填区域 完全充填，形成密实度高、结构完整、收缩变形小、水化热低、具有一定强度的大体积 充填材料。在施工时，充填料浆利用自身的高流动性和自密实性能，减少了额外的振捣 施工，提高了工作效率，同时形成的充填体具有了较高的密实度和足够的强度。 高浓度胶结充填材料所采用的原材料是胶结材料、粉煤灰、煤矸石和水，其中胶结 材料是普通硅酸盐水泥，煤矸石是成品煤矸石[3]。从高浓度胶结充填材料概念的提出， 到配合比的设计和优化，再到充填技术上的突破以及大量工程上的应用，一直受到煤炭 行业的广泛关注和认可。 尽管高浓度胶结充填材料在实际工程中有着大量的应用，有其它充填材料不能相比 的优势，但是它也有其自身的局限性。在实际工程中高浓度胶结充填材料的制备需要大 量的成品煤矸石，然而煤矸石的总量是一定的，利用途径涉及到很多方面。在美国主要 发展煤矸石发电和土地复垦，在德国煤矸石主要是用于充填井下采空区及通过加工筛选 作为建筑材料，在俄罗斯除用作井下采空区充填材料及道路工程、建筑材料外，还用做 有机矿物肥料，在波兰其主要用作生产水泥。在我国，煤矸石的用途也有很多，煤矸石 发电、煤矸石建材、煤矸石提取化工产品、煤矸石复垦绿化、回填矿井采空区和用作道 路材料等等[4]。随着成品煤矸石的大量消耗，成品煤矸石的生产将难以满足高浓度胶结 充填材料的需要，造成原材料的缺失，由煤矸石经过再生产加工生产成品煤矸石，定会 使高浓度充填材料成本增加，造成高浓度胶结充填材料的发展举步维艰。同时，煤矸石 的量也是有限的，也会面临着资源枯竭的问题，因此急需解决煤矸石的替代品问题。另 一方面，高浓度胶结充填材料存在一定的泌水问题，进行大体积充填时，少量的泌水也 会影响充填的效果，因此高浓度胶结充填材料的泌水问题亟待解决。再者，煤矿开采充 填是一个连续的过程，要求充填材料的初凝时间和终凝时间都在规定的时间范围内，即 浇筑的过程中不能初凝，避免影响浇筑效果，在浇筑完成后又能在短时间内达到终凝， 具有一定的强度，能够起到支撑上层岩体、保证相邻工作面正常作业的能力，高浓度胶 万方数据 华北水利水电大学硕士学位论文 2 结充填材料目前还不能达到这方面的要求。对于今后的发展而言，高浓度胶结充填材料 受到了多重的限制，难以充分应用。 为了解决实际工程中存在的这些问题，研究出一种原材料丰富、施工技术简单、施 工速度快、适用范围广、充填成本低的煤矿充填材料，黄河水利科学研究院与华北水利 水电大学提出用黄河泥沙制备煤矿充填材料这一概念并进行研究，用黄河泥沙替代煤矸 石作为充填材料骨料，使黄河泥沙制备煤矿充填材料在成本上相比高浓度胶结充填材料 降低了很多。这一概念的提出时间尚短，需要进行大量的研究工作，并在实际工程中不 断总结提高，以求得到更加广泛的应用。 1.1.2 黄河泥沙煤矿充填材料的优势 黄河泥沙煤矿充填材料作为一种新型的煤矿充填材料，与其它的煤矿充填材料都有 着很大的区别。其中，区别最大的就是固体充填材料，固体充填材料通常是煤矸石和粉 煤灰，也有用风积沙、建筑垃圾和矿渣等[5-6]。而黄河泥沙煤矿充填材料，固体充填材 料是黄河小浪底库区超细黄河砂和粉煤灰，也就是用黄河超细砂代替煤矸石，这是在原 材料上最大的区别。如果试验成功，就会从根本上解决原材料不足的问题。 可见，相比膏体充填材料和高浓度胶结充填材料，黄河泥沙煤矿充填材料最大的优 势是利用黄河泥沙作为骨料制备充填材料， 黄河泥沙作为原材料， 资源丰富、 价格低廉、 可就近取材[7-8]。另外，黄河每年都有大量超细砂在河床沉积，抬高水位，形成洪灾隐 患。所以利用黄河泥沙制备煤矿充填材料，还会带来明显的防洪效益。 1.2 煤矿充填材料研究现状 随着充填技术在矿山中的应用，充填材料和充填工艺伴随着充填技术发展的同时也 在不断改进和创新。胶结充填技术是以水砂充填为基础发展起来的，后又经历了低浓度 胶结充填、高浓度胶结充填和膏体泵送充填及高水速凝材料固结充填 3 个主要阶段。为 了提高矿山充填的质量，最早的低浓度胶结充填已经不再使用，近些年逐渐出现高浓度 全尾砂胶结充填、块石砂浆胶结充填、碎石水泥浆胶结充填和膏体泵压输送胶结充填， 它们主要使用水泥作为胶结料。中国矿业大学杨宝贵教授带领他的团队对高浓度胶结充 填材料及其充填开采技术进行了充分的研究， 2000 年为了从根本上解决煤矿开采对地表 环境和土地资源造成的严重破坏，实现煤炭资源开采的可持续发展，他提出了进行胶结 充填煤矿采空区的思想，就胶结充填材料原材料的选择、充填的工艺与方案、经济评价 3 个方面对煤矿采空区胶结充填的可行性进行了分析[9]。2013 年为显著控制煤层开采导 致的地表移动，进一步提升煤炭资源采出率，结合现有煤矿充填开采状况，他提出了用 高浓度胶结充填材料充填采空区进行煤矿充填开采的方法[10-11]。运用相似模拟方法，从 上覆岩层的移动形式、超前支承压力的影响范围、工作面周期来压强度及合理支架工作 阻力等多个方面，研究了高浓度胶结充填开采工作面的矿压显现规律[12]。将此矿压的显 万方数据 1 绪论 3 现规律作为依据，研制出与之相符合的充填开采液压支架和隔离支架，使之可以在形成 很大充填空间的同时， 缩小充填工作面前顶板的下沉距离。 2014 年为获得煤矿高浓度胶 结充填材料的合理配合比，在分析高浓度胶结充填现状、煤矿对充填材料要求及煤矿充 填开采特点的基础上，就以普通硅酸盐水泥、粉煤灰、煤矸石及水为主要原材料在不添 加与添加外加剂情况下的合理质量配比分别进行研究，得出了最优的高浓度胶结充填材 料配合比，这个配比减少了水泥的用量、料浆流动性好、泌水少、无离析、坍落度达到 280 mm、 28 天抗压强度达到 5.2 MPa[13-16]。西北矿冶研究院和中国矿业大学分别研制了 全尾胶固充填材料和高水充填材料。长年以来，数以万吨计的水泥被消耗在井下采空区 的充填中。据统计，采矿成本的 1/3 左右用在了矿井充填上，充填材料又占充填成本的 80左右，高昂的充填成本不但给矿山的开采造成很大的经济压力，并且严重阻碍了充 填采矿技术的应用和发展。采取新技术，在不影响充填体强度的情况下，减少水泥用量 是充填技术的主要研究方向。为了尽可能的降低充填材料的成本，用尾砂或采矿废弃矸 石替代胶结充填材料中的部分或全部骨料，我国西北矿区也将大量赋存的风积沙用作充 填材料原材料。粉煤灰和高炉矿渣等胶结剂可以用作水泥替代品，全部或部分替代水泥 [17-19]。大量的实验显示，水泥能够很好地对河沙、粉煤灰进行胶结。在充填料浆浓度、 河沙掺量、粉煤灰掺量不变的情况下，胶结材料的强度随着水泥掺量的增加和养护时间 的延长，都在不断增加。骨料的选取比较容易，可以取用当地的固体废弃物，也可选用 天然赋存的风积沙。现阶段，正在我国推广使用的固体废物膏体充填技术是就近取材把 煤矿附近的煤矸石、粉煤灰、工业炉渣、城市固体垃圾等采用一定得工艺加工成膏体浆 液，再采用泵送或自溜方式通过管道输送到工作面，最终对采空区进行胶结充填。在国 内， 膏体充填技术最先被使用到了有色金属矿山， 并且在以后的应用中得到不断地推广， 取得了不错的成果。为了增加煤炭资源的采出率，延长矿井开采年限，济宁市太平煤矿 首度将膏体充填技术应用到煤炭开采当中，并于 2006 年 5 月建成了我国煤矿第 1 个膏 体充填示范工程。自此，膏体充填作为一种新型充填开采技术在煤矿绿色开采中得到重 视和推广应用