粉煤灰与矸石粉压缩特性的实验研究.pdf

★科技创新 ★ 粉煤灰与矸石粉压缩特性的实验研究 朱卫兵 赖文奇 许家林 中国矿业大学能源与安全工程学院,江苏省徐州市, 221008 摘 要 利用自制容器对不同粒度组成的矸石粉及粉煤灰进行了压缩特性实验研究,结 果表明矸石粉的抗压缩性能明显优于传统离层区充填所选用的粉煤灰,但仍有25 左右 的压缩率;经二级破碎筛分后的矸石粉粒度组成较好,无需掺入粉煤灰就可直接充填。 关键词 离层区充填 粉煤灰 矸石粉 压缩特性 粒度组成 覆岩离层注浆充填减沉技术自从上世纪80年 代传入我国,先后在十几个矿井进行了工业性试 验,取得一定成效,但大部分矿井实际减沉效果并 不理想,其中离层区充填材料选择不当是影响减沉 效果的主要因素之一。在以往的工程应用中都将粉 煤灰作为覆岩离层区充填的主要固体材料,通常按 水灰比为2∶1来制成浆液,浆液中的固体材料粉 煤灰通过注浆孔借助于高压水的作用通过管路输送 到离层空间中,经脱水沉淀压实后在离层空间中起 支撑作用,达到控制和减缓地表沉降之目的。但粉 煤灰充填体的可缩性较大,且堆积厚度较大时其渗 水性能大大降低。而经过破碎筛分后的矸石粉则不 然,在矸石粉能满足临界流速要求的条件下,矸石 粉浆液可以通过混凝土泵泵送的方法输送到离层空 间,并且相比之下其可缩性小。煤矿多年堆积的煤 矸石占地且污染环境,而煤矸石的利用既能满足环 境保护的要求,又能带来一定的经济效益。因此掌 握粉煤灰和矸石粉的压缩特性对今后离层区充填材 料的选取有着重要的意义。此次实验的目的就是掌 握它们的压缩特性,找出合理的级配关系,增大材 料的密实度,从而增强材料的抗压缩性能,在离层 区更有效地支撑上覆岩体,减缓地表下沉。 1 实验方法 111 充填料制备 实验一取砂子、粉煤灰以及粒级分别为- 410mm、- 215mm、- 1125mm的矸石粉,经吸水 饱和后对其进行压缩试验。由于粒径为- 410mm 的矸石粉在长距离的管路输送中将部分沉淀,长期 堆积会造成管路堵塞,因此粒径为- 410mm的矸 石粉的粒度组成不具实际意义,故未列出。实验一 仅对以上5种材料作定性比较。 实验二选定粉煤灰和经破碎筛分后的煤矸石 粉的混合配料进行测定。粉煤灰和矸石粉的粒级组 成见表1和表2。取粉煤灰与矸石粉按不同的体积 比混合,在吸水饱和的情况下对其进行压缩实验, 各方案见表3。 112 装料及测定 将搅拌均匀且吸水饱和的充填料分次倒入自制 的压密容器中,压密容器结构如图1所示。然后平 整料面,并保证每次材料压缩前料面均在容器内同 一高度。装料达到要求后,将传压活塞装入压密容 参考文献 1 候朝炯,郭励生,勾攀峰等 1 煤巷锚杆支护[M] 1 徐州中国矿业大学出版社11999 2 候志鹰,王家臣,马锦章,张学峰1 锚杆锚索支护 技术在大同矿区的研究与应用[J ]1 东北大学学报自然科 学版, Vol125 s2 , 2004 3 谢广祥,曹伍富,华心祝,查文华.综放面沿空掘 巷矿压显现规律及支护参数优化[J ].煤炭科学技术, 2002 , 30 12 4 柏建彪,王卫军,候朝炯,黄汉富.综放沿空巷道 围岩控制机理及支护技术研究[J ].煤炭学报, vol125 No15 , 2000 478～480责任编辑 王雅琴 63 中国煤炭第31卷第11期2005年11月 表1 粉煤灰的粒度组成 粒径/ mm1125～01630163～0131501315～01160116～0108- 0108 占有率/ 210015100201003210031100 累计占有率/ 2100171003710069100100100 表2 矸石粉的粒度组成 粒径/ mm215～11251125～01630163～0116- 0116 占有率/ 16138251384016317161 累计占有率/ 161384117682139100100 表3 实验方案 按体积比混合第1组第2组第3组第4组第5组第6组 粉煤灰/ 020304050100 矸石粉 - 2 15mm / 100807060500 器内,然后一并放到万能实验机上进行加载。最大 轴向压力按照海孜煤矿巨厚火成岩及其上部岩体与 表土层自重载荷选为12MPa ,逐次加压,利用百 分表读出材料在不同载荷下的压缩量。百分表精度 可达0101mm ,由于压力机稳压效果稍差,压密过 程中难免出现误差。为了尽可能减小误差,每组实 验做3次,最终结果取平均值。 图1 压密容器示意图 113 测定数据 对吸水饱和的砂子、粉煤灰以及粒级分别为- 4mm、- 215mm、- 1125mm的矸石粉进行压缩 试验, 5组试验结果如图2所示。对吸水饱和的粉 煤灰和经破碎筛分后的矸石粉进行压缩性能实验, 第1组到第6组实验结果如图3所示。 2 实验结果分析 由图2看出,砂子的的压缩率最低,粉煤灰的 压缩率最高,矸石粉的压缩率因其粒度的增大而降 低。不同粒径的矸石粉的压缩率较为相近,其压缩 变形大大小于粉煤灰,但却明显高于砂子。出现这 样的结果是因为矸石粉具有一定的吸水性,在压缩 的过程中饱和水被压出。而砂子吸水性能差,因此 压缩变形较小。 图2 砂子、矸石粉和粉煤灰的压缩性能 图3 矸石粉与粉煤灰不同配比下的压缩性能 由图3可以看出,纯矸石粉的压缩率最低,而 纯粉煤灰的压缩率最高。当轴向压力达到9MPa 后,纯矸石粉的压缩率增加已经趋缓,即压缩变形 73 粉煤灰与矸石粉压缩特性的实验研究 量接近最大值。除纯粉煤灰外,其余各组的压缩变 化趋势类似于纯矸石粉,但压缩变形量在不同程度 上随粉煤灰含量的增多而有所增加。而纯粉煤灰的 压缩率在0～12MPa的范围内始终保持以相对较大 的斜率增加,说明当充填体上部岩体在受到岩层移 动影响时,上部载荷发生变化,纯粉煤灰所堆积成 的充填体承载性能相对较差。 矸石粉 - 2 15mm与粉煤灰混合后,混合 物的压缩率随粉煤灰含量的增加而增高,掺入粉煤 灰只能降低矸石粉的压缩性能。根据金属矿山水砂 充填的经验,对于砂子类材料,小于013mm的细 粒级含量在30 ～40 时具有最小的孔隙率,即 最优 级配。从 表2中 可 以看 出,矸 石 粉 - 215mm中粒径小于0116mm的矸石粉含量为 17161 , 0163～0116mm为40163 。由此可推 断矸石粉 - 215mm中小于013mm的细粒级的 含量大致在30 以上,其原有的级配已经达到最 优级配的要求。因此在破碎过程中矸石粉已经具有 良好的粒度组成,无需再掺粉煤灰来改善其级配。 将上述6组试验在12 MPa时所达到的最大压缩率 与各组中粉煤灰含量关系绘制成图4。 图4 粉煤灰含量对压缩率的影响 从图4中可以看出,粉煤灰的含量对材料的压 缩性能影响很大。材料压缩率随着粉煤灰含量的增 加总体上近似呈线性增加。载荷为12MPa条件下, 纯煤矸石粉的压缩率为2510 ,纯粉煤灰的压缩 率达3710 ,相差12个百分点。相同体积条件 下,纯矸石粉充填体的承载效果明显优于传统离层 充填材料粉煤灰。从经济的角度出发,合理级配的 矸石粉有着更加广阔的应用前景。 3 结论 通过对粉煤灰和矸石粉的压缩实验研究,我们 可以得出如下认识。 1在相同的轴向压力条件下,矸石粉的抗压 缩性能明显优于粉煤灰。同体积浆液,矸石粉充填 体对上部岩体的支撑效果要明显优于粉煤灰,矸石 粉的利用在一定程度上提高了注浆效率。 2实验所用充填材料的压缩率随着粉煤灰含 量的增加总体上近似呈线性增加。经过破碎筛分后 的矸石粉中小颗粒的含量已经满足粒度组成的要 求,无需通过掺入粉煤灰来减小颗粒间的空隙的方 式来改善矸石粉的抗压缩性能。 3与粉煤灰相比,矸石粉在抗压缩性能上有 着较为明显的优势,但在管路输送过程中为了保证 矸石粉能满足临界流速的要求,对泵送设备的工作 能力要求较高,泵送动力消耗较大。 4本实验研究主要在实验室内完成,各材料 的压缩曲线与压缩容器的尺寸、材料吸水程度等因 素有着较为密切的联系。实验研究结果和工业应用 之间也必然存在一定差异。充填材料的粒度组成还 有待于在淮北海孜煤矿覆岩离层分区隔离注浆减沉 试验中进一步完善。 国家自然科学基金项目50374066 参考文献 1 赵德深,范学理,洪加明等1 离层注浆技术的应用 与效果1 东北煤炭技术11995 5 2 徐乃忠,马伟民,曹祖民等1 综采分层及重复采动 影响条件下覆岩离层注浆减沉试验1 煤炭科学技术, 1998 3 3 张玉卓,徐乃忠1 地表沉陷控制新技术[ M]1 徐 州中国矿业大学出版社, 1998 4 钟亚平1 建筑物下综放开采特厚煤层覆岩离层注浆 1 煤炭科学技术12001 1 5 许家林,钱鸣高,金宏伟1 岩石移动离层演化规律 及其应用研究[J ]1 岩土工程学报12004 5 6 许家林,钱鸣高1 覆岩注浆减沉钻孔布置的试验研 究[J ]1 中国矿业大学学报, 1998 3 7 杨伦1 对采动覆岩离层注浆减沉技术的再认识1 煤 炭学报, 2002 4 8 余斌1 粗粒级混合充填压缩性能试验研究1 铜业工 程12000 4 9 姜振泉,季梁军,左如松1 煤矸石的破碎压密作用 机理研究1 中国矿业大学学报12001 2 责任编辑 康淑云 83 中国煤炭第31卷第11期2005年11月