煤为骨料的巷旁充填材料试验研究

2022-09-10

目前比较常用的巷旁充填是胶结充填体, 胶结充填材料的主要组成有胶凝材料、骨料、水和适量的外加剂。骨料在充填材料中起骨架作用, 同时又起着降低单位充填体中胶凝材料用量及减小收缩、降低成本等作用。在沿空留巷巷旁充填材料的制备过程中若工作面的煤作为骨料可行, 那么矿下的矸石也能作为充填骨料, 同时煤加矸也能用于充填体, 这样就能扩大充填骨料来源, 大幅减少运输环节, 降低充填支护成本, 取得良好的经济效益和社会效益。因此, 本文主要研究煤作为充填骨料与自制的两种胶凝材料混合来制备巷旁充填材料。

1 煤作为充填材料的可行性分析

试验用原煤经手工破碎大块后用普通颚式破碎机破碎, 然后进行筛分析。测试方法参照国标GB/T14685-2001《建筑用卵石、碎石》和国标GB/T14684-2001《建筑用砂》标准进行。煤经颚式破碎机破碎后基本都小于5.9mm, 所以粗骨料按《建筑用卵石、碎石》标准选用连续级配的10～5mm级配。而砂的筛分析有所不同, 砂的筛分析方法是用一套标准筛 (《建筑用砂》对于筛分析砂子所用的一套标准筛孔尺寸依次为:9.5mm、4.75 mm、2.36 mm、1.18 mm、600µm、300µm、150µm) , 按照500g干砂试样由粗到细依次过筛, 然后称得余留在各个筛上的砂的质量, 并计算出各筛上的分计筛余百分率a1、a2、a3、a4、a5和a6 (各筛上的筛余量占砂样总量的百分率) 及累计筛余百分率A1、A2、A3、A4、A5和A6 (各个筛和比该筛粗的所有分计筛余百分率相加在一起) 。砂的粗细用细度模数表示, 细度模数的计算公式如公式 (11) 所示:

细度模数 (µf) 愈大, 表示砂愈粗。砂的粗细程度按细度分为粗、中、细三级, 其细度模数范围:µf在3.7～3.1为粗砂, µf在3.0～2.3为中砂, µf在2.2～1.6为细砂。同时根据600µm筛孔的累计筛余量分成三个级配区 (表1) , 砂的颗粒级配, 应处于表1中的任何一个级配区以内。砂的实际颗粒级配与表中所列的累计筛余百分率相比, 除4.75mm和600µm筛号外, 允许有超出分区界线, 但总量百分率不应大于5%。破碎后的煤经筛分后用小于9.5 mm且大于2.36 mm的大颗粒代替石子作为粗骨料, 用小于2.36 mm的煤块代替砂子作为细骨料。对粗细骨料进行各自筛分后的结果如表2所示。

根据表2的砂筛分结果, 对照表1可以看出, 经过破碎处理的作为细骨料的煤落在级配2区, 细度模数则是2.5, 为中砂标准, 符合充填材料对骨料的要求。但经过计算可知, 作为细骨料的煤的含泥量却严重超标, 根据国标GB/T14684-2001《建筑用砂》规定, 含泥量Ⅰ类砂<1%、Ⅱ类砂<3%、Ⅲ类砂应<5%, 但经过破碎后的煤的含泥量却达到了8.2%, 由此可见, 作为细骨料的煤虽然为中砂标准, 但含泥量较高, 对于普通的混凝土来说会影响其强度, 但本文所研究的胶凝材料本身具有一定的胶结细物料的能力, 所以对于充填体强度本身要求不高, 又与具有一定胶结细物料的胶凝材料混合, 含泥量稍大不是问题。矿井下的充填体对强度的要求不是太高, 从而对在害杂质的含量要求也不是太严, 只要能保证充填体的强度, 充填体的有害杂质含量可以适当放宽。而骨料的颗粒形状及表面特征本身就是一对矛盾体, 粘结性能好的流动性稍差, 而流动性好的粘结能力又差一点, 对于充填体强度不高的情况下, 无论是粘结性能好还是流动性能好均能满足要求。

由表2可知, 作为粗骨料的煤符合国标GB/T14685-2001《建筑用卵石、碎石》标准对粗骨料颗粒级配的要求, 而充填材料对粗骨料其它方面的要求, 根据上述对煤作为细骨料的分析可知也都符合要求, 所以粒度较大的煤作为粗骨料在理论上也是可行的。本文所选取的平煤八矿的原煤强度较高, 为.885MPa, 对于强度要求较低的充填体来说已经足够。综合以上分析:用煤作为骨料, 能满足充填材料对骨料的要求, 在理论上可行, 具体的情况可通过实际充填材料的研究来检验。

2 试验方案的确定

根据配合比设计的步骤, 以煤作为骨料, 进行了充填材料的研究, 每一种胶凝材料进行了两种有代表性的强度设计, 设计强度值分别为10 MPa和8 MPa, 严格按照配合比设计的步骤进行配合比的计算, 反复调整配方得出的最终试验方案如表3。

3 试验结果及数据分析

充填材料的配制在50升强制式搅拌机内进行, 按照各组分的配合比, 分别计算出各组分的具体掺量, 将称量好的骨料及胶凝材料依次投入搅拌机内进行搅拌, 拌匀, 高效减水剂与拌合水溶解后再加入搅拌机内, 从加水开始搅拌3min反转搅拌并出料, 立即测试充填材料的工作性能, 并将混合料入模, 振动成型, 终凝后脱模, 并把试块放入养护箱内继续养护, 到一定龄期取出试块检测其它性能。各项性能测试结果如表4所示。

从表4中的坍落度值可以看出, 四组配方的坍落度值均在1 9 c m以上, 均具有较好的流动性能, 同时通过试验时的观察, 料浆的粘聚性和保水性也都较好。分析认为工作性能较好的原因有以下几个方面引起的:一是水灰比较大, 在充填材料的配合比设计时, 充分考虑到了料浆的施工性能, 选取的坍落度值较大, 使得单位体积内的用水量较多, 所以料浆的流动性能良好;二是掺入了高效减水剂, 众所周知, 减水剂具有两个主要的作用, 在用水量不变的情况下能大幅度地增加料浆的流动度, 在保持流动度不变的情况下能大幅度减小单位体积的用水量, 本文正是基于增加料浆流动度方面的考虑, 在保持用水量不变的情况下, 掺加了高效减水剂;三是在胶凝材料中存在粉煤灰和矿渣微粉, 由于这些活性的玻璃体中有大量的球形颗粒, 能使水泥颗粒的絮凝结构和颗粒扩散, 同时使充填体内部结构降低粘度和降低颗粒之间的摩擦力, 发挥了这些活性材料的形态效应。

沿空留巷巷旁支护对充填材料要求的最关键一点是早期强度要高, 从而可以有效地支撑住巷道上方顶板的压力, 充分发挥巷旁支护对顶板“顶”的作用, 大大减轻巷道内支架承受的载荷。从表4可以看出用两种胶凝材料制备的四种充填材料3h强度均大于了4MPa, 早期强度发展迅速, 均能满足巷旁充填支护对充填材料的早强要求。充填材料的后期强度均存在不同程度的强度增长, 从而能满足巷旁充填支护对充填体“稳”的要求。

4 结语

通过上述试验可以看出矿下的原煤经过破碎也可以作为充填材料的骨料, 同样, 矿下比煤强度高的矸石更容易作为充填材料的骨料, 这样就能扩大充填材料的骨料来源, 减少大量运输且只经破碎而不用作其它处理。本文重点研究的是胶凝材料而对充填材料的配比研究的较少, 使得充填材料的强度较高, 若用于工业试验可以进一步降低胶凝材料的用量, 使充填体强度满足巷旁充填支护的要求即可。

摘要：巷旁充填材料的主要组成是胶凝材料、骨料、水和适量的外加剂。在自制的两种胶凝材料基础上, 采用煤作为骨料来制备巷旁充填材料。试验结果表明, 煤作为骨料是可行的, 这样就扩大了充填骨料来源, 大幅减少了运输环节, 降低了充填支护成本, 从而为巷旁充填研究提供参考。

关键词：煤,骨料,巷旁充填,充填材料