新型巷旁充填材料的研究

【摘 要】本文介绍了一种新型巷旁充填材料――煤矸石膏体巷旁充填材料，由煤矸石、粉煤灰、PL膏体胶结料和水组成。通过试验，改变各组分用量，测定充填材料的力学性能参数，得出了一种较为合理的配比方案，为巷旁充填材料的选择与应用提供了有效的途径。

【关键词】煤矸石膏体；巷旁支护；坍落度；抗压强度

煤矸石是采煤过程和洗煤过程中排放的固体废物，排放矸石形成的环境问题主要有： 影响土地资源的利用，污染大气，危害水土，全国国有煤矿现有矸石山1500余座，累计储存

量已超过30亿t，占地55 km2，而且以年排放量1.2亿t的速度增长，产生大量的烟尘及SO2，H2S，CO 等有毒气体，降低矸石山周围的环境空气质量，影响矿区居民的身体健康 [1]。利用煤矸石膏体充填材料进行巷旁充填是中国矿业大学提出的沿空留巷巷旁充填技术新途径，是钱鸣高院士提出绿色开采技术体系的重要组成部分[2]。巷旁充填成本中充填材料费用一般占70%～80%，因此研制价格低廉、性能优良的充填材料是巷旁充填技术能否发展与应用的关键。

1.材料组成

（1）胶结料：试验采用的胶结料为中国矿业大学充填重点实验室所研制的PL胶结料，它是以普通水泥或普通水泥熟料为基材的一类复合材料[3]。

（2）煤矸石：来自达竹金刚煤矿。

（3）粉煤灰：来自达州电厂，为二级灰。

2.正交试验设计

2.1 基本要求

（1）工艺性能。满足输送要求，坍落度在20cm以上。

（2）强度性能。1d强度要达到4MPa，后期强度达到10MPa。

（3）经济性。控制胶结料的用量，胶结料用量不应高于250kg.m-3。

2.2配合比计算和试配

（1） 胶结料J的确定：根据基本要求，煤矸石膏体巷旁充填材料中胶结料的用量取200～250kg.m-3。

（2） 粉煤灰F的确定：根据基本要求，煤矸石膏体巷旁充填材料中粉煤灰的用量取300 kg.m-3左右。

（3） 浓度W的确定：经实验室试配，煤矸石膏体巷旁充填材料的浓度取0.85左右。

（4） 矸石量G和水量S的确定：

（5）砂率的确定：最佳的砂率，即在保证膏体强度和可泵性的情况下、胶结料用料最少的砂率。根据宝钢的泵送混凝土施工经验，本次煤矸石膏体巷旁充填材料的砂率取44%。

2.3 正交试验设计中因素、水平的确定

影响煤矸石膏体巷旁充填材料性能的因素较多，如集料级配（A）、胶结料掺量（B）、混合料质量浓度（C）、粉煤灰掺量（D）等。在试验中，重点考虑矸石级配的影响，对该因素选择四个水平，分别为48%、52%、56%、60%，而胶结料掺量、浓度取值、粉煤灰掺量均选两个水平。分别为250 kg.m-3 和225kg.m-3，85%和86%，300 kg.m-3 和350kg.m-3。

2.4 各组合状态的基本试验

我们选用正交表L16（41×212）进行正交试验。试验中按照《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》（GBT/50080-2002）和《普通混凝土力学性能试验方法标准》（GB50081-2002）进行操作测定，测定煤矸石膏体巷旁充填材料的坍落度和抗压强度。

3.测试结果及分析

3.1 测试结果

经过正交试验设计的材料，测得的坍落度、1天和7天抗压强度见表1。

3.2 测试结果分析

在煤矸石膏体巷旁充填材料配合比的设计中，因为要同时考虑强度和坍落度等，试验结果分析采用功率系数法。这种方法在多指标正交设计的分析中不比较单个指标，只比较多个指标的总功效系数，使结果分析大大简化。

极差计算结果经直观分析坍落度极差计算结果可知从极差的大小得出各因素及其交互作用对坍落度的影响：膏体浓度是影响坍落度的主要因素，而粉煤灰也是重要因素，胶结料的用量与矸石粒级的级配不同也比较重要。在考虑的因素中，说明浓度和粉煤灰由交互作用，胶结料和粉煤灰存在交互作用。抗压强度直观分析1天和7天强度极差计算结果可知：胶结料的用量是影响1天和7天强度的主要因素，而浓度也是重要因素，粉煤灰的用量与矸石粒级的级配不同也比较重要。在考虑的因素中，胶结料和浓度存在交互作用，对膏体充填材料的性能影响较大。

功率系数的极差计算结果可以看出1天、和7天的强度中，试验号为四的功率系数最大，分别为0.92、0.91，其组合条件是A4B1C2D1。分别计算坍落度与1天和7天强度的功率系数的极差计算结果，直观分析 1天强度较优的组合条件是A4B2C0D2（C0为因素的任意水平），7天强度较优的组合条件是A4B1C1D1，由于因素C与因素D给功率系数的影响在试验误差范围之内，因此，优选结果为A4B1C1D1。

4.结语

（1）本试验的结果表明为了控制充填成本，且能符合现场实际要求的情况下，煤矸石膏体巷旁充填材料的最优配合比为胶结料250kg.m -3，矸石粉的用量1237kg.m-3，矸石粒级组成为粗矸石占0.48%，细矸石占0.52%，浓度为85%，粉煤灰加量为300 kg.m -3。

（2）煤矸石膏体巷旁充填材料的早期强度高，后期强度增长快。

（3）粉煤灰的作用虽然没有胶结料、浓度和矸石级配起的作用大，但它能改善煤矸石膏体巷旁充填材料的和易性，便于输送，并能降低充填成本。

参考文献：

[1] 吕永桃，孙道胜.煤矸石堆放及其利用中产生的污染[J]. 安徽建筑工业学院学报（自然科学版）， 2007，（05） .

[2] 缪协兴，钱鸣高.中国煤炭资源绿色开采研究现状与展望[J].采矿与安全工程学报，2009，26（1）.

[3] 周华强.固体废弃物膏体充填不迁村采煤[J ]. 中国矿业大学学报，2004，33（2）.