矸石膏体充填材料的物理力学性质测试研究

罗义 谢小平 邓承发 余长柱

摘 要：研究采用理论分析和实验测试的方法，对矸石膏体充填材料进行分析，对试验地点充填工作面进行前期的调研，总结分析已有的相关研究成果，收集掌握和论文内容相关的地质资料、技术信息，为相关研究奠定基础。主要运用岩石力学、结构力学、弹性力学、矿山压力等理论，在理论上对矸石粗细粒级含量、水泥的掺加量、粉煤灰的掺加量、料浆的质量分数、添加剂等因素对膏体材料的力学性质参数的影响进行分析。通过对矸石膏体充填材料不同配比方案的设计，制作实验测试的试件，再进行实验室物理力学参数的测试。

关键词：矸石膏体;充填材料;力学性质;实验测试

1 工程概况

某矿井2000年8月建成投产，设计能力1.5 Mt/a，核定生产能力2.4 Mt/a。该煤矿采用立井分水平开拓，共布置了主、副、风三个井筒，分两个水平开采，即一水平（-410m）主要开采上组煤，第二水平（-580m）主要开采下组煤。现生产水平为-410m，主要开采3上煤层。2353工作面位于2300膏体充填试验采区。地面标高为38.2～39.8m，平均标高38.85m。开采3上煤层底板标高-411.2～-368m，煤层埋深393.39～502.80m，平均450m，煤层厚度1.67～3.36m，平均2.73m，煤层倾角3～11°，平均6°。工作面煤层赋存稳定，直接顶以中粒砂岩为主，老顶以粉砂岩为主，直接底以粉砂岩为主，老底以细粒砂岩为主。2353工作面位于北翼胶带大巷的西侧，膏体充填左侧轨道巷距2301面老空区5m，充填工作面右侧为皮带顺槽，回采时可保留下来作为2354的运输巷，距2354皮带巷96m，2353工作面北侧为切眼，距1340面老空区73m。2353膏体充填工作面两顺槽布置在3上煤层中，轨道巷进风，皮带巷回风，轨道巷与皮带巷的方位角为270°。

2 膏体充填材料的选择

沿空留巷成功的另一关键是沿空一侧巷旁支护体的材料和性能的选择，要求增阻速度快，并具有合理的支护阻力能适应上覆岩层的活动，具有较大的变形量适应沿空留巷剧烈变形，同时希望巷旁支护成本低廉，这些特性推动着巷旁支护技术的发展。该煤矿所用充填材料组成成分包括以下几方面：1）煤矸石。煤矸石属于充填材料中的骨料，其性能稳定价格低廉，是充填材料中的主体部分，煤矸石成分的好坏会直接影响充填体的强度;另外，骨料的粒径大小和大粒径含量将会影响料浆的可泵性，因此要严格控制大颗粒骨料的含量，保持合适的级配。2）粉煤灰。粉煤灰是燃煤烟气中的细粉末，在充填材料中属于胶结剂，用来增强充填体的后期强度，粉煤灰可用来代替部分胶结料，进而降低材料成本。此外，粉煤灰对提高膏体的泵送性能也有重要作用。选用相近电厂的粉煤灰，其质量等级符合Ⅱ级质量要求。3）胶结料。SL胶结料是以矿渣为主要原料，加入适量固化剂、早强剂等复合剂而合成的胶结料，与一般水泥胶结料相比，具有亲泥性好、固结能力强、生产成本低，并且采涌SL胶结料形成的膏体充填体早期强度高等特点，能够满足膏体充填留巷的需要。4）拌和水。拌和水是用来拌和充填材料的，其中料浆中水的含量对于料浆的可泵性有重要影响，本矿的拌和水选用井下生产用水。

3 膏体充填材料强度测试及配比方案设计

在沿空留巷中，充填体的强度关系到留巷的成败，强度过低会导致充填体不能及时切断下位基本顶，使巷道承受上覆岩层较大的重量，最终在过大的压力作用下充填体被压垮造成留巷失败。强度过高，则可能会造成煤帮和充填体变形不相协调，导致巷道围岩小结构变形量过大。文献表明[1-5]，在充填体龄期一定的情况下，膏体中各组分所占的质量分数均会影响充填体的强度，但影响强度的最主要因素是胶结料掺量，本文研究膏体充填体强度特性时忽略次要因素，着重研究胶结料掺量对其强度的影响。

实验时，首先将充填料按预先设计的方案调制成膏体，而后将膏体注入模型，待其成型后放入温度为14～18℃，湿度≥50%的室内进行养护，达到预定龄期（8h、1d、7d、28d）时，将试件放在试验机上测量其单轴抗压强度，结果见表1。

从表3-1中可以看出，在粉煤灰、煤矸石及质量浓度一定的情况下，随着胶结料掺量的增加，试件的抗压强度不断增加，方案A2在水泥掺量为60kg/m3时，试件在龄期28天时其抗压强度可达到1.53 MPa，能够满足强度要求，此后虽然随着水泥掺量的增加试件强度还不断增加，但水泥掺量的增加也会大幅增加充填材料的成本，同时考虑到充填体要满足一定的可缩量，所以最终确定胶结料掺量为60 kg/m3，暂时选定材料配比为方案A3。

4膏体充填材泵送性能

膏体的泵送性能反映了膏体在输送过程中的难易程度，主要由流动性、可塑性和稳定性三部分构成，主要衡量指标为膏体的塌落度，塌落度过大或者过小都不利于膏体的输送。良好的泵送性能可以确保膏体在输送过程中不离析、不沉淀、不堵塞，不泌水，提高充填泵的充盈系数，最终提高充填作业的效率。为便于输送，膏体的塌落度应该保持在180～200 mm之间。试验时共选取了四种方案。

分析可知，随着料浆质量浓度的增加其塌落度逐渐降低，在质量浓度为78%～80%的时候其塌落度在180～200 mm之间，能够满足膏体泵送性要求，结合前面对于充填体强度的要求，考虑到在集料和龄期一定的条件下，对应固定胶结料用量，在一定围内随着用质量浓度从大到小的变化，充填体的单轴抗压强度也会从大变小，所以选取料浆质量浓度为78%。

以上述配比制成试件，测其不同龄期的抗压强度，结果表明其试件能够满足抗压强度要求，所以最终确定膏体充填材料的配比为：胶结料60 kg/m3;粉煤灰量400 kg/m3;煤矸石量1600kg/m3;质量浓度78%。

参考文献：

[1] 黄玉诚，孙恒虎，时召兵.似膏体充填建筑物下采煤可行性分析[J].煤炭科学技术，2003，1（10）：51-53.

[2] 常庆粮，周华强，秦剑云，范军，王玉禄.膏体充填材料配比的神经网络预测研究[M].采矿与安全工程学报，2009，（01）：74-77.

[3] 常庆粮，周华强，柏建彪，段昌瑞，李英偉.膏体充填开采覆岩稳定性研究与实践[J] .采矿与安全工程学报，2011，（02）：279-282.

[4] 赵才智.煤矿新型膏体充填材料性能及其应用研究[D].徐州：中国矿业大学，2008.61.

[5] 赵才智，周华强，瞿群迪.膏体充填材料力学性能的初步实验[J].中国矿业大学学报，2004，33（2）：159-161.

作者简介：

罗义（1996.03-），男，汉族，贵州赫章县人，在读本科学生，主要从事采矿工程专业方面的学习和研究

基金项目：六盘水师范学院大学生创新创业训练计划项目（项目编号： 2020cxcy31）

（六盘水师范学院矿业与土木工程学院  贵州  六盘水  553004）