CN103964798A

CN103964798A - 风积砂似膏体煤矿充填材料

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Publication number: CN103964798A
Application number: CN201410177843.9A
Authority: CN
Inventors: 孙凯华; 刘鹏亮; 孙万明; 崔锋; 徐乃忠; 胡炳南; 张刚艳; 田锦州; 祝坤; 颜丙双
Original assignee: Tiandi Science and Technology Co Ltd
Current assignee: Tiandi Science and Technology Co Ltd
Priority date: 2014-04-29
Filing date: 2014-04-29
Publication date: 2014-08-06
Anticipated expiration: 2034-04-29
Also published as: CN103964798B

Abstract

本发明涉及可用于工作面采空区充填和沿空留巷等领域，特别涉及一种风积砂似膏体煤矿充填材料。充填材料由固料和水组成，充填材料中固料质量浓度在66％-75％，充填料浆的输送不需泵压可自主流动；所述固料按重量百分比计，36-40％粉煤灰、4-8％辅料、3％水泥和48-56％风积砂。本发明充填材料中的采用的风积砂粒径级配不良，主要成分为SiO₂和Al₂O₃，随着风积砂掺量的增加，充填体的表观密度增加23.4％，材料成本下降了25.6％；随着辅料掺量的增加，充填体28d强度增加59.4％，结石率增加至109.5％，增加了23％，充填体表现为微膨胀。

Description

风积砂似膏体煤矿充填材料

技术领域

本发明涉及可用于工作面采空区充填和沿空留巷领域，特别涉及一种风积砂似膏体煤矿充填材料。

背景技术

我国西北陕蒙一带的鄂尔多斯、榆林地区有丰富的煤炭资源，是21世纪主要的优质能源接续地，开发潜力巨大，发展前景广阔。同时，由于地处毛乌素沙漠和黄土高原接壌地带，水资源短缺，土地贫瘠，植被条件差，区域内生态***自身调节能力差，又是生态环境脆弱地区。由于煤炭资源的大规模开采，对矿区生态环境和地面建筑物造成的破坏越来越严重，已经成为制约煤炭资源开发和社会可持续发展的重要因素。充填开采技术的研究和应用是实现该煤炭开发与生态环境保护协调发展的适宜途径，对西北地区煤矿保护生态环境、控制开采沉陷、保证水源不受破坏等具有重大意义。目前，风积砂作为充填材料骨料的相关研究较少，相关研究表明，风积砂可用于煤矿采空区的充填并实现对地表下沉的有效控制，具有作为充填材料的可行性，同时在西北地区采用风积砂作为充填材料，对生态环境的治理有积极的意义。榆林地区的榆阳煤矿处于毛乌素沙漠南部，地表多风积砂沙丘，13.0258km²采矿权范围内风积砂总量达41683万t，风积砂存量巨大。采用风积砂作为充填材料的骨料，研发风积砂似膏体充填材料，很大程度上解决了充填材料供应与需求不均衡、充填成本与采矿效益不均衡的问题。

发明内容

本发明目的在于提供一种风积砂似膏体煤矿充填材料。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种风积砂似膏体煤矿的充填材料，充填材料具有良好的流动性，其由固料和水组成，充填材料中固料质量浓度在66％-75％；其中固料主料为占固料48-56％(wt)的风积砂；所述固料按重量百分比计，36-40％粉煤灰、4-8％辅料、3％水泥和48-56％风积砂。

进一步地，所述辅料的成分为生石灰、石膏和外加剂，三种成分按重量百分比计，78-88％生石灰、0-10％石膏、6-12％外加剂。

进一步地，所述外加剂为速凝剂和铝粉膏，所述速凝剂为硫铝酸钙。

进一步地，所述硫铝酸钙和铝粉膏按重量比为10:1-20:1混合。

进一步地，所述风积砂堆积密度为1.503-1.543g·cm^-3，表观密度2.571-2.599g·cm^-3，孔隙率为40.4％-42.1％。风积砂颗粒粒径主要集中在0.15mm～～0.6mm之间，平均粒径为0.249mm，平均不均匀系数为2.49，表明粒径分布比较集中，级配不良。

本发明所得填充料料浆，不需要泵压就可以快速充填，充填倍线可达到15倍，在1600m的数值高度条件下，水平输送距离可达1400m，能实现远距离自流输送；相对膏体充填工艺，充填***运行能耗下降50％以上，充填***运行能耗小；同时本发明的充填料浆结石体表现为微膨胀，一般可实现5％的膨胀率，可防止风积砂膏体充填材料所出现的干缩现象。

附图说明

图1为本发明实施例提供的充填膨胀试块内部气泡分布图。

图2为本发明实施例提供的不同风积砂掺量与强度关系曲线。

图3本发明实施例提供的辅料掺量与强度关系曲线。

图4本发明实施例提供的不同位置充填体强度散点图。

具体实施方式

本发明充填材料中原料为风积砂、粉煤灰、辅料、水泥和水。

其中，主料风积砂为分别在榆阳煤矿周边4个不同的位置，进行了风积砂取样，进行主要指标及分析。

主要物理指标测定

通过对取样的风积砂试验测得：风积砂堆积密度为.503-1.543g·cm^-3，平均值为1.520g·cm^-3；表观密度为2.571-2.599g·cm^-3，平均值为2.587g·cm^-3；孔隙率为40.4％-42.1％，且各个试样相差不大。

通过风积砂粒径筛析试验结果可知：榆阳煤矿附近风积砂颗粒粒径组成相差不大，主要集中在0.15mm-0.3mm以及0.3mm-0.6mm之间，平均粒径为0.249mm，平均不均匀系数为2.49，表明粒径分布比较集中，级配不良；同时风积砂各筛分参数相差不大，说明榆阳煤矿周围不同位置的风积砂粒径特性比较一致。

由实验结果可知，风积砂主要由SiO₂、Al₂O₃、CaO、Fe₂O₃和MgO组成，其中SiO₂和Al₂O₃平均含量分别为65.75％和12.83％，是主要成分，且4个试样中各成分所占的比例差别不大；风积砂从微观上看主要是经风选的细小岩石颗粒，其矿物成分主要为石英、长石、云母等轻矿物，属于基本没有活性的骨料。

粉煤灰，其主要成分为SiO₂，Al₂O₃及少量的的Fe₂O₃和CaO等。

辅料的主要成分为生石灰、石膏和外加剂。

实施例

充填材料配合比成分：

1.不同风积砂掺量实验结果

充填材料风积砂似膏体充填材料的主要组分为：风积砂、粉煤灰、水泥、辅料和水，实验方案按质量比计，粉煤灰、水泥、辅料和水的1:0.06:0.14:1.1质量比例关系不变，风积砂的掺量(即风积砂占充填材料总重量的比重)分别为：0％(即不添加风积砂)、15％、25％、35％和45％进行实验室配比试验。其中，辅料的成分为生石灰、石膏和外加剂，三种成分按重量百分比计，82％生石灰、8％石膏、10％外加剂(外加剂具体为硫铝酸钙和铝粉膏，硫铝酸钙和铝粉膏重量比为20:1)。

按以下条件进行养护：前24h在温度为40℃，湿度为96％养护箱养护，以后在45℃的恒温水浴中养护。实验数据总结见表1以及图2。

表1不同风积砂掺量实验结果

由图2可见充填体的强度和结石率受风积砂掺量的影响不大。但随着风积砂掺量的增加，充填体的表观密度由1.45g/cm³增加至1.79g/cm³，增加了23.4％；成本由125元/m³下降至93元/m³，下降了25.6％。加大风积砂的掺量对降低充填材料的成本效果显著，在保证流动性的前提下，风积砂的掺量应不低于130％。

2.不同辅料掺量的配比实验

为了掌握辅料掺量的变化对充填材料性能及成本的影响，作为充填制浆配比的基础，进行了相关的配比实验，实验方案为：保持粉煤灰、水泥、风积砂和水的1:0.06:1.3:1.1质量比例关系不变，辅料的掺量分别为占充填材料中固料总重量的2％、4％、6％、8％和10％进行实验室配比试验，其中，辅料的成分为生石灰、石膏和外加剂，三种成分按重量百分比计，82％生石灰、8％石膏、10％外加剂(外加剂具体为硫铝酸钙和铝粉膏，硫铝酸钙和铝粉膏重量比为10:1)。按以下条件进行养护：前24h在温度为40℃，湿度为96％养护箱养护，以后在45℃的恒温水浴中养护。实验数据总结见表2及图3。

表2不同辅料掺量实验结果

由图3可见，随着辅料掺量的增加，充填体的28d强度由3.2MPa增加至5.1MPa，增加了59.4％；结石率由89％增加至109.5％，增加的幅度为23％，充填体表现为微膨胀，合理的辅料掺量是充填体结实率和长期强度的保证。对于榆阳煤矿的近水平煤层充采条件而言，由于工作面两端高差很小，要保证采空区尽量充满充实，使其有效支撑上覆岩层，充填体应满足95％以上的结石率，对于沿空留巷处于工作面的高处或其他对充填率要求较高充采条件，应使充填体满足100％的结石率，因此，为了保证采空区的充填率和充采工作面及沿空留巷的安全，在合理浓度的条件下，辅料的掺量范围应为4％-8％。

将上述获得的风积砂似膏体充填材料进行充填体力学性能测试分析：

为了检测、分析充填开采工作面充填体的强度等主要力学指标是否符合设计要求，对榆阳煤矿综采充填工作面不同龄期、不同位置的充填体进行了取样，将取样试块加工成标准试块，用TAW-2000微机控制电液伺服岩石三轴试验机进行力学指标测试。

其中，TAW-2000电液伺服试验机具有轴压、围岩、孔隙水压和温度独立闭环控制***。主机采用美国MTS三轴主机结构，刚度大于10GN/m，轴压2000kN，围压100MPa，孔隙水压60MPa，温度-50～200℃，试件直径25mm～100mm，最小采样时间间隔为1ms。可进行单轴、三轴应力应变全过程试验，恒速、变速、循环加卸载及多种波形控制试验，孔隙水和高低温特性试验等。试验采用微机控制，实时显示试验全过程。

1)充填体力学特性测试

对井下工作面龄期为7天充填体取样，将试块加工成Ф50mm×50mm的标准试样，力学参数测试结果及分析如表3和表4：

表3龄期7d充填体单轴抗压强度测定结果

表4龄期7d充填体三轴抗压强度测定结果

2)充填体不同龄期的强度变化规律

对榆阳煤矿综采充填工作面21个充填循环的充填体进行取样，取样龄期分别为3d、7d、15d、28d、60d、90d、180d和270d，在实验室对所取试样进行强度实验，实验数据总结如下表5及图4。

表5不同位置不同龄期充填体强度/MPa

由上图可知，充填工作面不同循环的充填体，随着龄期的增长，强度也逐渐增长，增长趋势与公式y＝0.739ln(x)+1.829的对数趋势线呈现的规律相似，相关程度值R²达到0.886，相关性较好。14d内充填体平均强度迅速增长至4.35MPa，14d之后增长速度逐渐放缓，充填体的长期强度稳定在5MPa以上，达到了对充填体强度4MPa的要求。强度发展和后期强度的稳定性都能满足支撑上覆岩层的压力的需要。

综上所述，通过对榆阳煤矿周边风积砂的取样和试验发现：风积砂粒径组成相差不大，主要集中在0.15mm-0.3mm以及0.3mm-0.6mm之间，平均粒径0.249mm，平均不均匀系数为2.49，表明粒径分布比较集中，级配不良。风积砂主要成分为SiO₂和Al₂O₃，平均含量分别为65.75％和12.83％，是主要成分，且4个试样中各成分所占的比例差别不大，从微观上看主要是经风选的细小岩石颗粒。

风积砂似膏体料浆中辅料的主要作用为：激发粉煤的潜在活性，使充填材料具有胶结性能，保证充填料浆的凝固及脱模时间和后期强度；同时使料浆中的水参与固化反应，减少泌水量，并使料浆产生微膨胀。

试验表明：但随着风积砂掺量的增加，充填体的表观密度由1.45g/cm³增加至1.79g/cm³，增加幅度为23.4％；材料成本由125元/m³下降至93元/m³，下降幅度为25.6％。

试验表明：随着辅料掺量的增加，充填体的28d强度由3.2MPa增加至5.1MPa，增加幅度为59.4％；结石率由89％增加至109.5％，增加幅度为23％充填体表现为微膨胀；合理的辅料掺量是充填体结实率和长期强度的保证。对于榆阳煤矿的近水平煤层充采条件而言，合理辅料的掺量范围应为4％-8％。

本发明所具有的优点：

1.本发明的充填材料的主料为风积砂，其是由长期受到风的吹扬、搬运、堆积，在流动风沙土中以中砂和细砂为主，使风积砂具有了独特的物理化学性质，具体是，风积砂的粉粘粒含量很少，表面活性很低，松散、无粘聚性，具有明显的非塑性，其颗粒属于特细砂。非亲水性，非湿陷状态。砂粒表面对水几乎没有物理吸附作用，最大吸水率不足1％，一般都在0附近；砂颗粒遇水后能保持原有骨架结构性质，水稳性好。压实后风积砂的最大干密度可达到1.8～2.0g/cm³，为天然状态下密度的1.2～1.4倍，故其由松散状态到密实状态的压实过程较短。风积砂的天然含水量很低，最低的地方不足1％，最大含水量一般也不超过5％。进而从建筑材料的角度来看，充填材料对骨料级配的要求相对较低，同时由于粒径较小，不易沉淀和堵塞管道，有利于实现管路输送，因此本发明选用风积砂作为骨料具有现实意义和可行性。

2.本发明的充填材料的辅料与粉煤灰在水的存在下可更大的限度发挥粉煤灰的胶凝和硬化的潜在活性，其中辅料的主要成分为生石灰、石膏和外加剂，其作用主要体现在以下两个方面：

(1)为充填料浆中的粉煤灰提供合适的碱性环境和温度等条件，激发粉煤的潜在活性，使充填材料具有胶结性能，保证充填料浆的凝固及脱模时间和后期强度。

(2)使似膏体料浆中的水参与固化反应，大幅度减少泌水量，同时使料浆中的碱性成分发生化学反应并生成一定量的气体，料浆在一定时间段内产生许多细小气泡，使料浆膨胀(见图1)，从而保证充填体的接顶率。

辅料对粉煤灰潜在活性的碱激发及胶结原理：风积砂似膏体材料中的结石体是料浆中的活性SiO₂、活性Al₂O₃、水与辅料中的硅酸二钙、无水铝酸盐、无水石膏、石灰等反应而生成的具有水硬胶结性的钙矾石(AFt)、铝胶(AH)、水化硅酸钙(C-S-H)、水化硅铝酸钙凝胶(C-A-S-H)等。主要的反应过程如下：

3CaO·3Al₂O₃·CaSO₄+18H₂O＝3CaO·Al₂O₃·CaSO₄·12H₂O+2(AH₃·3H₂O) (1)

3CaO·3Al₂O₃·CaSO₄+2CaSO₄+38H₂O＝3CaO·Al₂O₃·3CaSO₄·32H₂O+2(AH₃·3H₂O) (2)

3CaO·3Al₂O₃·CaSO₄+8CaSO₄+6CaO+96H₂O＝3

(3CaO·Al₂O₃·3CaSO₄·32H₂O) (3)

辅料与粉煤灰混合水化，还会生成单矿物及钙矾石之外的其他水化产物主要反应如下：

Ca(OH)₂+Al₂O₃+2SiO₂+3H₂O＝CaO·Al₂O₃·2SiO₂·4H₂O (4)

随着水化不断进行，充填体结构不断紧密，固相越来越多，液相逐渐减少直至消失；当具有能够抵抗相当的外力作用的结构强度时，就表现为料浆的固化和凝结。

3.本发明的充填材料使主料风积砂似膏体材料结石体，其是多相多孔体系，随着各原材料混合搅拌的充分，发生水化反应，并放出水化热，形成长针状、柱状钙矾石结晶结构，并交错在一起形成一个坚固的网状骨架，骨架中包含有大量的结晶水。网状骨架像海绵一样又吸附大量的游离水。之后，形成纤维状的C-S-H凝胶、铝胶、C-A-S-H凝胶，这些凝胶不断增加并且交织成网状结构，致使结构致密，强度再次增加。由于形成的这种网状结构会存在许多空隙，这些空隙被孔隙水填满，从而致使体积膨胀。最后随着时间的增加，在致密的网状结构的表面会形成水化产物的包裹层，将网状结构和3种形态的水包裹在里面，从而使充填材料强度达到最大值。

4.风积砂似膏体充填材料是一种新型矿用充填材料，是由风积砂、粉煤灰、辅料、水泥和水按一定比例混合搅拌而成，可用于工作面采空区充填和沿空留巷等领域，其主要技术优势和特性如下：

(1)浆液的浓度范围为66％～75％，合理的浓度保证料浆良好的流动性，不需要泵压就可以快速充填，在充填倍线超过10的工况下，能实现远距离自流输送，充填***运行能耗小。

(2)在解决工业废料的排放造成环境污染的同时还能实现利用风积砂后进行复垦，增加可用的土地面积，符合国家环境保护和促进煤炭行业发展的相关政策。

(3)充填料浆的凝固时间和充填体各龄期抗压强度可根据不同的充填工艺要求进行调整。

(4)通过调整料浆中充填辅料的掺量，可使充填体的泌水率不超过3％，且后期体积显现出微膨胀现象，充填体的结石率超过100％，充填体和工作面顶板主动接触，保证充填工作面的充填率。

5.本发明的充填材料中随着辅料掺量的增加，充填体的28d强度由3.2MPa增加至5.1MPa，增加了59.4％；结石率由89％增加至109.5％，增加的幅度为23％，充填体表现为微膨胀，合理的辅料掺量是充填体结实率和长期强度的保证。辅料对充填料浆的作用主要体现在以下两个方面：

(2)使似膏体料浆中的水参与固化反应，大幅度减少泌水量，同时使料浆中的碱性成分发生化学反应并生成一定量的气体，料浆在一定时间段内产生许多细小气泡(见图1)，使料浆膨胀，从而保证充填体的接顶率。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1.一种风积砂似膏体煤矿的充填材料，其特征在于：充填材料具有良好的流动性，其由固料和水组成，充填材料中固料质量浓度在66％-75％；其中固料主料为占固料48-56％(wt)的风积砂；所述固料按重量百分比计，36-40％粉煤灰、4-8％辅料、3％水泥和48-56％风积砂。

2.根据权利要求1所述的风积砂似膏体煤矿充填材料，其特征在于：所述辅料的成分为生石灰、石膏和外加剂，三种成分按重量百分比计，78-88％生石灰、0-10％石膏、6-12％外加剂。

3.根据权利要求2所述的风积砂似膏体煤矿充填材料，其特征在于：所述外加剂为速凝剂和铝粉膏。

4.根据权利要求3所述的风积砂似膏体煤矿充填材料，其特征在于：所述速凝剂为硫铝酸钙。

5.根据权利要求3或4所述的风积砂似膏体煤矿充填材料，其特征在于：所述硫铝酸钙和铝粉膏按重量比为10:1-20:1混合。

6.根据权利要求1所述的风积砂似膏体煤矿充填材料，其特征在于：所述风积砂堆积密度为1.503-1.543g·cm^-3，表观密度为2.571-2.599g·cm^-3，孔隙率为40.4％-42.1％。