孙文标，郭兵兵，罗传龙，王自龙，路 飏

(1.河南工程学院安全工程系，河南 郑州 451191；2河南煤矿安全培训中心，河南 郑州 450001)

煤气化废渣用作煤矿充填材料的试验研究

孙文标1，郭兵兵1，罗传龙2，王自龙1，路 飏1

(1.河南工程学院安全工程系，河南 郑州 451191；2河南煤矿安全培训中心，河南 郑州 450001)

为了降低煤矿充填的成本，采用煤气化废渣作为集料，以普通水泥作为胶凝材料配置了充填材料，测定了料浆的塌落度、脱水率和充填体的强度。结果表明：随着水泥含量的增加，料浆的塌落度增加，随着煤气化细渣含量的增加，料浆的脱水率降低，在水泥含量为6%时，充填体的强度即可满足自立的要求；采用煤气化废渣作为充填集料，充填材料的成本是可以接受的。

煤气化废渣；充填材料；塌落度；脱水率；强度

我国是世界上最大的煤炭生产国和消费国，煤炭资源开发是我国能源安全保障体系建设的重中之重，然而煤矿开采造成的岩层和地表移动严重破坏了土地资源和水资源[1-2]，对人类的生存环境造成了巨大威胁。充填开采不仅有利于减少开采造成的破坏，还能够处理工业固体废弃物、改善煤矿的安全生产条件和提高煤炭资源的采出率[3-4]。近年来，煤矿充填开采技术得到了广泛的关注。

煤矿充填开采需要大量的充填材料，充填的成本主要是充填材料的成本。因此，充填材料必须具有廉价、材料易得等优点。我国煤化工行业迅猛发展，在取得有用产品的同时也产生了大量的固体废弃物。本文以煤气化工业的废渣为充填骨料，研究了充填料浆及其硬化后形成的固化体的性能，分析了充填成本，以期对煤矿充填技术的发展有所裨益。

1 原材料与实验方法

1.1 原材料

骨料选用河南能源化工集团永城煤气化工业产生的废弃物，包括粗渣和细渣两部分，粗渣经筛分测得其细度模数约为2.7，相当于中砂；细渣比表面积约为4 900 m2/kg，比普通水泥的颗粒更细。粗渣在充填料浆中作为粗骨料，细渣在充填料浆中作为细骨料。由于粗渣和细渣目前都大量存放，因此来源丰富，价格低廉。胶凝材料选用郑州天瑞集团生产的32.5#普通硅酸盐水泥。料浆拌和水为自来水。经过初步试验，料浆的浓度定为80%，水泥含量从4%变化到8%，由于水泥的粒度与细渣更为接近，水泥含量增加时细渣含量相应减少，保持粗集料的含量为58%不变。

1.2 实验方法

对充填材料的要求包括充填料浆良好的流动性和稳定性以及料浆硬化后形成的充填体有较高的强度。料浆的流动性可以用塌落度来表征。充填料浆塌落度的测量采用自制的小型塌落度筒。其上口直径3.6 cm，下口直径6.4 cm，高6 cm。塌落度大于2 cm为安全流范围[5]。料浆的稳定性可以用脱水率来表征，试验取料浆1 000 g倒入塑料烧杯中，参照普通混凝土拌合物泌水率试验方法进行测试；充填体强度的测定按照标准方法成型试件，试件规格为70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm，试件成型后，在标准条件下养护1 d后拆模，并在规定条件下养护至龄期。分别测定1 d、3 d、7 d及28 d单轴抗压强度。

2 实验结果及讨论

2.1 水泥含量对充填料浆塌落度的影响

在料浆浓度80%，粗集料的含量为58%条件下，实测充填料浆的塌落度见如图1。

图1 充填料浆的塌落度

由图1可见，充填料浆的塌落度随水泥含量的增加线性增长，这是由于水泥的比表面积较细渣小，其表面吸附的水分较少，从而使更多的拌合水成为自由水，从而导致料浆的流动性更好，即使在水泥含量为4%的条件下，料浆的塌落度也大于2 cm，表明料浆有较好的流动性。

2.2 煤气化细渣含量对充填料浆泌水率的影响

在料浆浓度为80%，粗集料的含量为58%条件下，细渣含量从14%增加到18%，料浆的脱水率见图2。

由图2可见，随着煤气化细渣含量的增加，充填料浆的泌水率降低，表明料浆的稳定性提高。这是由于细渣的表面积较大，能把更多的水吸附在颗粒表面，从而避免拌合水的泌出。在细渣含量为18%的条件下，料浆的泌水率在2%左右，低于用河沙、粉煤灰为粗细集料的充填料浆的泌水率。

2.3 水泥含量对充填体强度的影响

在料浆浓度为80%，粗集料的含量为58%条件下，充填体在水泥含量为4%、6%和8%(分别编号为1#、2#和3#)时的强度见表1。

图2 充填料浆的脱水率

表1 充填体的抗压强度

1#2#3#1d-0230263d0220420467d04206407428d0801724

注：“-”为未测出强度

由图3可见，随着水泥含量和养护龄期的延长，充填体的强度增加。这是由于水泥水化是充填体产生强度的原因。在水泥含量为6%的条件下，充填体1 d强度在0.2 MPa以上，这样的强度能够满足充填体自立的要求。

2.4 经济性分析

为达到充填料浆流动性好，充填体强度满足要求和成本低的目标，可以确定料浆浓度为80%，水泥含量为6%，煤气化粗渣含量58%，煤气化细渣含量为16%。这一配比的充填料浆中水泥成本在35元/m3左右，煤气化粗渣和细渣的成本主要为运输成本，充填材料总成本在40元/m3左右，经济上是可行的。

3 结 论

1)在采用煤气化粗渣和细渣分别作为充填的粗集料和细集料时，用水泥代替细渣可以提高料浆的流动性强度。

2)由于煤气化细渣较细，适当提高其含量，可提高料浆的稳定性。

3)采用普通硅酸盐水泥作为胶凝材料，在其含量为6%时即可配制得到料浆流动性好、脱水率低、充填体强度满足要求的充填材料。

4)采用煤气化废渣作充填材料，不仅性能良好，而且成本低廉。

[1] 缪协兴，巨峰，黄艳利，等.充填采煤理论与技术的新进展及展望[J].中国矿业大学学报，2015，44(3)：391-399，429.

[2] 刘建功，赵利涛.基于充填采煤的保水开采理论与实践应用[J].煤炭学报，2014，39 (8)：1545-1551.

[3] 宋振骐，崔增娣，夏洪春，等.无煤柱矸石充填绿色安全高效开采模式及其工程理论基础研究[J].煤炭学报，2010，35(5)：705-710.

[4] 杨宝贵，杨捷.煤矿充填技术发展趋势与选用方法[J].矿业研究与开发，2015，35 (5)：11-15.

[5] 孙文标，孙恒虎，刘建庄，等.似膏体充填料浆配合比的实验研究[J].中国矿业，2005，14(8)：70-71.

Research on experiment of the backfill material with coal gasification wastes used as aggregate

SUN Wenbiao1，GUO Bingbing1，LUO Chuanlong2，WANG Zilong1，LU Yang1

(1.Department of Safety Engineering，Henan University of Engineering，Zhengzhou 451191，China； 2.Henan Coal Mine Safety Training Center，Zhengzhou 450001，China )

In order to decrease the cost of backfill in coal mine，a kind of new backfill material was prepared with coal gasification wastes used as aggregate and ordinary portland cement used as cementitious material.The slump and dehydration rate of the slurry was measured.The strength of the hardened backfill material was also measured.The results show that with the increasing of ordinary portland cement，the slump of the slurry increases，that with the increasing of the fine coal gasification waste，the dehydration rate of the slurry decreases，and that the strength of the hardened backfill material can meet the need of self-support when the content of ordinary portland cement is 6%.When coal gasification wastes are used as aggregates，the cost of backfill is acceptable.

coal gasification wastes；backfill material；slump；dehydration rate；strength

2016-06-15

煤矿灾害预防与控制河南省高校重点实验室培育基地建设经费资助(编号：200925)；河南省科技厅科技攻关项目资助(编号：092102310230)；河南省教育厅青年骨干教师资助项目资助(编号：2010GGJS-185)

孙文标(1971-)，男，博士，副教授，主要从事煤矿安全和充填材料方面的教学与研究工作，E-mail：1421502382@qq.com。

TD823

A

1004-4051(2017)02-0166-03