陈维新,　李凤义

(黑龙江科技大学 矿业研究院, 哈尔滨 150022)



粉煤灰基胶结充填材料基本性能的实验研究

陈维新,李凤义

(黑龙江科技大学 矿业研究院, 哈尔滨 150022)

掌握粉煤灰基胶结充填材料的基本性能有利于其合理应用。以水、粉煤灰为主要原料,制备粉煤灰基胶结充填材料,通过实验分析材料抗压强度、凝结时间、流动性及显微结构。结果表明:粉煤灰基胶结充填材料具有速凝、早强、流动性好的性能。充填体高度越高,充填体顶、底部的抗压强度及凝结时间差异越大;灰浆和成浆的流动性与粉煤灰的活化时间密切相关;材料中钙矾石结构与石膏和石灰用量有关。袋式、挡板式充填开采工业试验结果证实,该材料是一种性能良好的采空区充填材料。

粉煤灰基胶结充填材料; 抗压强度; 流动性; 微观结构; 采空区充填

充填开采是煤矿迈向“无害化”、“安全化”生产的有效途径,但目前无法实现推广的主要原因是充填材料成本过高。而边远地区电厂产生的粉煤灰供大于求,导致大量粉煤灰废弃在野外,废弃粉煤灰给环境带来很大的压力[1-2]。黑龙江科技大学矿业研究院研发的粉煤灰基胶结充填材料,粉煤灰占固体料的80%～89%,水固比接近1∶1,既解决了废弃粉煤灰的环境污染问题,又解决了充填材料造价普遍较高的问题。对于矿用采空区充填材料来说,基本性能一般包括材料浆体的黏度、凝结时间(文中研究的粉煤灰基胶结充填材料属于快凝、早强型胶结材料,其初凝时间与终凝时间很接近,故一般仅考查其初凝时间,并统称为凝结时间[3])、流动性、充填固化后的抗压强度、固化后微观结构等。这些性能是充填系统及工艺设计的基本参数。掌握充填材料的基本性能对实践应用具有重要意义。笔者通过实验室实验,分析粉煤灰基胶结材料基本性能,并通过井下工业实验加以验证。

1　粉煤灰基胶结充填材料制备

制备粉煤灰基胶结充填材料时先将水、粉煤灰、活化剂HHJ按配方配比计量后输送到活化搅拌装置中搅拌均匀,陈放4～8 h后得到主要固体料——粉煤灰的灰浆。灰浆流动性良好,且基本不会凝固。在灰浆内加入硫铝酸盐水泥、石灰、石膏、KYY-ZH系列早强缓凝剂、KYY-S系列速凝剂后,搅拌10～15 min就制得粉煤灰基胶结充填成浆[4-6]。具体制备工艺如图1所示。

图1　粉煤灰基胶结充填材料制备工艺

2　粉煤灰基胶结充填材料基本性能

2.1材料的抗压强度与凝结时间

2.1.1抗压强度与凝结时间

在粉煤灰活化时间(th)0～8 h、活化温度20 ℃的条件下,制得胶结充填材料,成浆后一部分倒入试模,标准养护后测定抗压强度,一部分测定其凝结时间,实验结果如图2、3所示。

由图2 可知,粉煤灰活化4 h是材料抗压强度的阈值,活化时间在4 h以下的各养护龄期材料的抗压强度远远低于活化4 h以上的,且材料养护时间越长,活化时间阈值体现越明显,如粉煤灰活化4 h、养护龄期24 h材料的抗压强度是活化3 h的1.13倍。由此可见,活化时间保持在4～8 h即可充分发挥活化剂对粉煤灰的激发效果。由图3可见,材料各龄期的凝结时间随着活化时间增加逐渐缩短,同样,粉煤灰活化4 h为材料对应凝结时间的阈值,活化时间低于4 h材料的凝结时间较长,活化时间高于4 h材料的凝结时间较短。由此可见,材料的凝结时间与抗压强度有一定的关联,凝结时间越短抗压强度越高。

图2　粉煤灰活化时间对材料抗压强度的影响

图3　粉煤灰不同活化时间对材料凝结时间的影响

2.1.2充填体高度对抗压强度及凝结时间的影响

充填体高度对材料抗压强度及凝结时间的影响,实质是材料水化速率小于固体颗粒在水中的沉积速率,从而导致充填体上下部存在一定性能差异[7]。在实验室内采用模板支设高度为1、3、5、7 m,宽度和长度均为0.5 m的四个封闭空间,将成浆注入后在常温下养护,然后测量每个充填体顶、底部的凝结时间后,再在凝固体顶、底部分别取出两个方形块放入标准养护箱中,龄期为8 h时,由压力机得到单轴抗压强度,如表1所示。由表1可知,充填高度越高充填体顶、底部强度及凝结时间差异就越大。这是因为粉煤灰基胶结充填材料在成浆后开始水化,被输送到充填地点后仍在不断水化,这时料浆处于静止状态,一些未活化的粉煤灰颗粒及未水化的水泥、石灰等胶凝材料的颗粒开始向下沉积,直到料浆失去流动性,因此,底部比顶部的胶凝材料更多,充填体底部的凝结时间比顶部短,在各水化龄期,充填体底部的强度要比顶部的更大一些。

在现场施工中,如果煤层较厚,充填体较高,可采用分层充填来减少一次充填体的高度[8]。

表1　充填体高度对材料抗压强度及凝结时间的影响

2.2材料浆体的流动性

2.2.1灰浆

采用SNB-2型数字式旋转黏度计对粉煤灰不同活化时间的灰浆进行测量[9]。每次测量间隔0.5 h,测量前需重新搅拌被测灰浆,待静止时马上进行黏度测量。结果如图4所示。由图4可知,活化前2.0～4.5 h黏度变化不大,之后黏度显著增大。整体来看,粉煤灰活化后的灰浆均属低黏度。

图4　粉煤灰不同活化时间对应灰浆的表观黏度

采用Kinexus超级旋转流变仪[10]测量粉煤灰活化时间为2、4、8 h灰浆的流动曲线,如图5所示。分析可知,在活化时间为2 h时,浆体的流动性基本接近牛顿模型,但活化时间为4 h和8 h时,初始浆体的流动性向非牛顿模型中的假塑性模型贴近。

图5　粉煤灰不同活化时间对应灰浆的流变

2.2.2成浆

在灰浆中加入其他原材料,搅拌过程中材料即开始水化,其流动性随着时间推移发生较为显著的变化。

粉煤灰活化2、4、8 h制得的成浆随放置时间(tf)变化的黏度如图6所示。由图6可知,粉煤灰活化2 h制得的成浆黏度在60 min内,增加不明显,此后迅速攀升,至100 min时接近2 000 mPa·s,110 min时黏度计无法测出黏度,说明成浆此时已失去流动性。粉煤灰活化4 h时的成浆黏度在50 min内变化不明显,此后增长明显,至90 min时达到1 600 mPa·s,100 min时黏度无法测出。粉煤灰活化8 h时的成浆黏度变化规律与活化4 h较类似,均是50 min内黏度变化不明显,但之后黏度增长率明显比活化4 h大,90 min时成浆失去流动性。总结以上规律可知,粉煤灰的活化时间是影响成浆黏度的主要因素。

图6　粉煤灰不同活化时间对应成浆的表观黏度

采用Kinexus超级旋转流变仪测量粉煤灰活化2、4、8 h制得成浆每隔10 min的流动曲线,如图7所示。粉煤灰活化2 h制成的成浆40 min内基本服从牛顿流体模型的两相流型,随着时间的增加,缓凝剂的作用逐渐消退,水化开始剧烈进行,60 min时,浆体为非牛顿体中的有屈服值的伪塑性流体模型,80 min后,逐渐向宾汉流动模型转变。

粉煤灰活化4 h和8 h制得成浆20 min内,流变曲线基本服从牛顿流体伪塑性流动模型,40～60 min时,流变曲线服从有屈服值的伪塑性流体模型,随后基本服从宾汉流动模型。

图7　粉煤灰不同活化时间对应成浆的流变

2.3微观结构

2.3.1石灰与石膏用量不同的材料微观结构

将材料配方中石灰的质量分数提高30%,使石灰在成浆中饱和,作为实验方案一;将材料配方中石膏的质量分数提高40%,使石膏在成浆中饱和,作为实验方案二。按照两个方案,制得成浆,在标准养护环境养护8 h,终止水化后利用日立S-4800型电子扫描电镜观察材料微观结构,结果如图8所示。

图8　石灰与石膏用量不同的材料微观结构

由图8可知,在饱和石灰溶液中,钙矾石(3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O)形成速度较快,往往为细针状晶体(图8a);而在低浓度石灰溶液中,3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O形成的速度较慢,一般都生成较粗的长柱状晶体(图8b)。

2.3.2粉煤灰活化时间不同的材料微观结构

粉煤灰活化时间为0(粉煤灰未活化)、2、4、8 h时,分别制得的成浆,经过标准养护1 d即同时终止水化后,由扫描电镜观察材料微观结构,如图9所示。由图9可知,在粉煤灰不活化的情况下,材料仅生成针网状钙矾石;粉煤灰活化2 h制成的材料中针状钙矾石明显被水化产物部分包裹;粉煤灰活化4 h和8 h制成的材料中,针状钙矾石被水化产物基本包裹,结构进一步致密。

图9　　　　粉煤灰不同活化时间对应材料的SEM照片

由图9也可以看出,随着粉煤灰活化时间的增长,材料水化产物不断增多,结构越来越致密,但活化4 h与8 h结构致密程度相差不大,这与粉煤灰不同活化时间对应材料的强度规律相吻合[11]。

3　应用实例

应用粉煤灰基胶结材料作为采空区充填材料,在桃山矿九采三井进行炮采袋式条带式充填采煤工业实验,在通化八宝立井进行水采挡板式全部充填采煤工业实验。

袋式充填采煤中充填浆料的封闭空间由充填袋、模板、支柱构成。充填前先在采空区支设木支柱,然后在木支柱内架设模板,在模板内挂设充填袋,充填成浆通过充填袋上部的入料口注入。挡板充填采煤的封闭空间由三面煤壁和一面挡板组成。充填前先支设挡板,在挡板最上方留设入料口注入充填成浆。充填效果见图10。

图10　不同充填方式拆模后的充填体效果

从现场充填情况来看,灰浆和成浆的流动性良好。袋式充填完毕后,平均高为1 m的充填袋在材料凝结时间内即有自承能力,并可将模板拆掉,接顶率超过了95%,如图10a所示。挡墙式充填完毕后,平均高为1.5 m的充填体接顶良好,如图10b所示,拆模时间较材料实验室测得的凝结时间缩短10 min,这可能是由于充填体积较大,水化热累积增加了材料的水化速度所致。两类充填体均在一个工作班内拆模,且充填3 d后顶板均无破断,说明该材料具有快凝、早强的特性。再经长期跟踪监测,两类充填方法均达到地表无明显沉陷的效果。

4　结　论

(1)粉煤灰基胶结充填材料具有快凝、早强的特点。粉煤灰活化时间为4～8 h时,材料的抗压强度较高,但随着活化时间的增加,材料凝结时间呈缩短趋势。充填体高度越高,充填体顶、底部的抗压强度及凝结时间差异越大。

(2)灰浆和成浆均具有良好的流动性,且流动性均与粉煤灰的活化时间密切相关。粉煤灰活化4 h和8 h对应的灰浆及成浆流动性相差不大,但比粉煤灰活化2 h对应的灰浆及成浆流动性要差。

(3)粉煤灰基胶结材料中钙矾石结构与石膏和石灰用量有关;随粉煤灰活化时间的增加,材料中的水化产物不断增加,材料结构也越显致密。

(4)采空区袋式和挡板式两种充填开采方法的工业实验结果表明,粉煤灰基胶结充填材料具备良好的应用前景。

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(编辑荀海鑫)

Experimental research on basic performance of fly-ash-based cement filling material

CHENWeixin,LIFengyi

(Institute of Mining Research, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China)

This paper describes a study based on a prevailing notion that better knowledge of the basic performance of fly ash-based cement filling material is beneficial for its rational application. This study is focused on preparing fly ash-based cement filling material using water, fly ash, sulphoaluminate cement, lime and gypsum as the main raw material and analyzing the compression strength, setting time, fluidity and micro-structure based on the tests. The results show that the fly ash-based cement filling material exhibits the performance of quick-setting, early strength and good fluidity; the higher filling height means the greater difference between the top and bottom of filling body in compressive strength and setting time; the fluidity of mortar and slurry is closely related to activation time of the fly ash; the structure of ettringite is linked to the plaster or lime content in the material. The bag and apron filling mining industry test prove that the material is a goaf filling material of better performance.

ash-based cement filling materials; compressive strength; fluidity;microstructure; goaf filling

2015-07-09

黑龙江省发展高新技术产业(非信息产业)专项资金项目(FW12A018)

陈维新(1984-),男,山西省忻州人,助教,硕士,研究方向:充填采煤,E-mail:287760448@qq.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2015.04.006

TD823.7

2095-7262(2015)04-0375-06

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