煤矸石膏体巷旁充填材料的研究.pdf

2 0 0 6年第 4期 能 源 技 术 与 管 理 5 1 煤矸石膏体巷旁充填材料的研究 何荣军， 周华强， 郑保 才 中国矿业大学 能源学院 ， 江苏 徐州 2 2 1 0 0 8 [ 摘要] 煤矸石膏体充填材料 由煤矸石 、 粉煤灰 、 P L膏体胶结料和水组成。 在 目前 P L膏体胶 结料 基 础上 ． 通过 正 交设计 试 验 ， 改 变煤矸石 、 膏体胶 结料 的 用量 ， 调 整 水灰 比 ， 测 定 充填材料的坍落度和抗压强度 1 d 、 3 d和 7 d ， 在满足 沿空留巷所需的力学性能条 件 下 ， 得 出 了一 种较 为合 理 的配 比方 案 ， 以及 确 定合 理 配 比的 方法 ， 为煤 矸 石 膏体 巷 旁充填材料的选择与应用提供 了科 学的依据 。 [ 关键词] 膏体充填材料 ； 巷 旁支护 ； 沿空留巷 ； 坍落度 ； 抗压强度 [ 中图分类号]TD8 4 9 ． 5 [ 文献标识码]B [ 文章编号] 1 6 7 2 _ 9 9 4 3 2 【 】 6 0 4 一 O 0 5 1 一 O 3 0 前 言 煤炭开采过程中，排放矸石形成的环境问题 主要有 矸石 山压 占土地 ，矸石 山 自燃对大气污 染．矸石中的金属离子及有机物对水资源及土壤 的污染等⋯。利用煤矸石膏体充填材料进行巷旁 充填是中国矿业大学最近提出的沿空 留巷巷旁充 填技术新途径 ，是钱鸣高院士提 出绿色开采技术 体系的重要组成部分 『2 ] 巷旁充填成本 中充填材 料费用一般占 7 0 ％一 8 0 ％，因此研制价格低廉 、 性 能优良的，对煤矸石膏体充填材料的研究是这项 新的巷旁充填技术是否能应用的关键 。 1 煤矸石膏体巷旁充填材料试验 1 胶结料 试验用的胶结料为中国矿业大学 充填重点实验室研制 的 P L胶结料 ，它是 以普通 水泥或普通水泥熟料为基材 的一类复合材料_ 3 _ 。 2 煤矸石 来 自徐州庞庄煤矿 。 3 粉煤灰 来 自邹县电厂 ， 为二级灰。 2 煤矸石膏体巷 旁充填材料 正交试验 2 ． 1 实验要 求 1 工艺性能。 满足输送要求 ， 坍落度在 2 0 c m 以上 。粉煤灰与胶结料的用量总和在 3 0 0 k g m。 以上 。 2 强度性能。 对于沿空 留巷巷旁充填的煤矸 石 膏体巷旁充填材料 1 d强度要达到 4 MP a ， 后 期 强 度达到 1 0 MP a 。 3 经济性 。 在满足以上的工艺性和强度的要 求下尽可能的降低成本 ， 符合现场实际。 这样才能 在各矿应用并推广开来 ，所 以应控制胶结料的用 量， 胶结料用量不应高于 2 5 0 k g m 。 2 ． 2 煤矸石 膏体巷 旁充填材料 的配合 比计算和 试 配 1 胶 结料 C的确定 依据 实验 要求 ， 煤矸 石膏 体巷 旁充 填材 料 中胶 结 料 的用 量取 2 0 0 2 5 0 k g m。。 2 粉煤灰 F的确定 依据实验要求 ， 煤矸石 膏体巷旁充填材料中粉煤灰 的用量取 3 0 0 k g m 左右 。 3 浓度 Y 的确定 经 实验室试配 ， 煤矸石 膏体巷旁充填材料 的浓度取 0 ． 8 5左右。 4 矸石 G量和水 的确定 。 根据绝对体积法 ， 可列出方程 G n C l 0 0 ％／ G n C 1 G ／ y G C 聊 l 0 0 0 L 2 式 中 Y G取 2 ．7 g c m～ ， Y c取 3 ． 0 g c m～， Y ，取 2 ． 1 g e m- 3 取 1 ． 0 g - c m～ 。 联立方程 1 和 2 可得 ， 矸石量和水 的量分 别 由下式确定 G 聊 研 c 卜 nC c _ l 0 0 0 ／ 1 1 饥 一 】 饥 I V F ／ r C ／ y 一 j n - C 一 ， G 5 砂率的确定 。最佳 的砂率 ， 即在保证膏体 强度和可泵性的情况下 、 胶结料用料最少的砂率 。 根据宝钢的泵送混凝土施工经验，集料最大尺寸 2 5 mm有外加剂的混凝土碎石的砂 率为 4 4 ％。因 为用于巷旁充填的煤矸石膏体充填材料与泵送混 凝土在很大程度上相似 ，所以煤矸石膏体巷旁充 填材 料 的砂率 取 4 4 ％。 2 ． 3正交试验设计 中因素、 水平的确定 维普资讯 5 2 何荣军等 煤矸石膏体巷旁充填材料的研究 2 0 0 6年第 4期 影响煤矸石膏体巷旁充填材料性能的因素较 多， 如集料级配 、 胶结料掺量 、 混合料质量浓度 、 粉 煤灰掺量等。在试验中．重点考虑矸石级配的影 响 ， 对该 因素选择 四个水平 ， 而胶结料掺量 、 浓度 取值 、 粉煤灰掺量均选两个水平。 因素与水平如表 1 所 示 。 表 1 因素与水平 2 ． 4 各组合状态的基本试验 我们选用正交表 L 。 4 2 进行正交试 验。 试验中按照 普通混凝土拌合物性能试验方法 G B J 8 0 8 5 和 普通混凝土力学性能试验方法标 准 G B 5 0 0 8 1 2 0 0 2 中测定材料抗压强度 、 坍 落 度的方法分别测定煤矸石膏体巷旁充填材料 的坍 落度和抗压强度 3 测试结果及分析 3 ． 1 测试 结 果 试验测试结果如表 2所示 3 ． 2测试 结果 分析 在煤矸石膏体巷旁充填材料 配合 比的设计 中， 因为要同时考虑强度和坍落度等 ， 试验结果分 析采用功率系数法 。这种方法在多指标正交设计 的分析中不比较单个指标 ，只比较多个指标的总 功效 系数 ， 使结果分析大大简化。 极差计算结果如 表 3所示 。 功效系数的极差计算结果如表 4所示 。 表 2 L 1 6 4 x 2 试验结果 由表 3直观分析坍落度极差计算结果可知从 极差的大小得出各因素及其交互作用对坍落度的 影响 的主次顺序是 C D C x D B B x D 。 B x C 影响较小 ， 可用作估计试验误差。 这可以看出膏体 浓度是影响坍落度的主要因素 ，而粉煤灰也是重 要 因素，胶结料 的用量与矸石粒级的级配不 同也 比较重要。 在考虑的因素中， 说 明浓度和粉煤灰由 交互作用 ， 胶结料和粉煤灰存在交互作用。 由表 3直观分析 1 d 、 3 d和 7 d强度极差计 算结果可知 从极差的大小得 出各因素及其交互 维普资讯 2 0 0 6年第 4期 能 源 技 术 与 管 理 5 3 作用对强度 的影响的主次顺 序分别是 B C B x CDA Cx D ． BBxC C AD ， BBx CCAB D D． B x D和 C x D影响较小 ，可用作估计试验误 差 ．这可以看 出胶结料 的用量是影响 l d 、 3 d和 7 d强度的主要因素 ， 而浓度也是重要因素 ， 粉煤 灰的用量与矸石粒级的级配不同也比较重要 。在 考虑的因素中． 胶结料和浓度存在交互作用 ． 对膏 体充填材料的性能影响较大。 由表 4可以看 出 l d 、 3 d 、 7 d的强度中， 实验 号为 4的功率 系数 d最大 ．分别 为 O ． 9 2 、 O ． 9 2 、 O ． 9 l ， 其组合条件是 A B C D 。 。分别计算坍落度与 l d 、 3 d和 7 d强度的功率系数的极差计算结果 ， 直观分析 l d强度较优 的组合条件是A 4 B C o D z C o 为因素的任意水平 ， 3 d强 度较优 的组合条件是 A B C D1 ， 7 d强度较优的组合条件是 A 4 B 。 C 1 D1 ， 由 于因素 C与因素 D给功率系数 的影 响在试 验误 差范围之 内， 因此 ， 优选结果为 A 4 B C ， D， 。 另外 ．在试验 中可知 O ． O 8 ～ 5 mm范围的矸石 粉含量 占总的矸石含量的百分 比为 5 2 ％， 各个粒 级之间采用用量均分的条件下强度是最高的。进 而在煤矸石膏体充填材料中，煤矸石加工到 2 5 m m 以内后 ． 还是需要进一步进行划分和加工 ， 并且各 个粒级的加量也需要 比较严格 的限制。 表 4 功效系数的极差计 算结果 注 系数 d i 的确定方法 ， 用 d i l表示 i 个指标的效果最好 ， 而 d i O表示第 i 个指标 的效果最差 ， d i 值在 0 一 1 之 间。 总 的功效 系数 为d V面 I | ， 这里用系数 d 表示 n 个指标的总的优劣情况。这样， 每次试验后 ， 只要比较系数d即得结果。 4结 语 1 本试验 的结果表明为了使 充填成本能符 合现场实际， 在满足工艺性能 、 输送要求 ， 以及强 度要求的情况下 ．煤矸石膏体巷旁充填材料 的最 优 配合 比为胶结料 2 5 0 k g m ，矸 石粉 的用 量 l 2 3 7 k g m ， 矸石粒级组成为粗矸石 8 ～ 2 5 mm 占O ． 4 8 ％， 细矸石 O ． O 8 ～ 5 占 O ． 5 2 ％， 浓度为 8 5 ％， 粉煤灰加量为 3 0 0 k g m 。 2 矸石粒级的水平划分对膏体充填材料 的 强度影响很明显 ．并且在矸石粉中细颗粒的百分 比含量 5 2 ％是最好的。 3 细集料对煤矸石膏体充填材料的和易性 影响很大。 矸石粒级的划分不同， 在很大程度上影 响该材料的可泵性。 4 煤矸石膏体 的早期强度高 ， 充填成本低 ， 后期强度增长快。 从试验的结果， 膏体充填材料强 度指标高于高水材料 。 5 粉煤灰 的作用虽然没有胶结料 、 浓度和矸 石级配起的作用大 ，但它能改善煤矸石膏体巷旁 充填材料的和易性 ．并将该充填材料的成本降下 来 ， 使之在煤矿 中更好的推广 ， 从 而推动沿空留巷 巷旁充填技术的发展。 [ 参 考 文 献 ] [ 1 ] 杨永仁，陆军，张远章，等． 我 国煤炭工业 与环 境保 护 [ J ] ． 煤矿 环境保护， 2 0 0 1 ， 1 5 3 5 - 9 ． [ 2 ] 钱 鸣高， 许 加林， 缪协 兴． 煤矿 绿 色开采 技术 [ J ] ． 中 国 矿业大学学报， 2 0 0 3 ， 3 2 4 】 3 4 4 3 4 7 ． [ 3 ] 周华 强． 固体废弃物 膏体充填 不迁村 采煤 [ J ] ． 中国矿 业大学学报， 2 0 0 4 ， 3 3 2 1 5 6 1 5 7 ． [ 作者简介 ] 何荣军 ， 1 9 8 1 一 ， 男 ， 四川人 ， 中国矿 业大学硕士研究 生 。从事环境材 料 、 充填采矿方面 的研究 。 『 收稿 日期 2 0 0 6 - 0 3 - 0 3 ] 维普资讯