王青峰，邢振賢，陳征，鄭軍

(1．華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450045;2．黃河水利委員會 黃河水利科學(xué)研究院，河南 鄭州 450018)

我國是世界上水庫淤積最嚴(yán)重的國家，近30 年來因泥沙淤積報(bào)廢的水庫已超過2 000 座． 黃河干支流上水庫總淤積量約115．5 億m3，其中大型水庫淤積量約96 億m3，中型水庫淤積量約14 億m3．至今，許多水庫的淤積量均超過總庫容的一半以上，大大制約了水庫效能的發(fā)揮，有的甚至失去應(yīng)有的作用．其中，小浪底水利樞紐是黃河上中游梯級開發(fā)和黃河水沙調(diào)控體系的關(guān)鍵工程，它的一個重要任務(wù)是實(shí)現(xiàn)水庫攔粗排細(xì)的目標(biāo)．實(shí)測資料表明，小浪底水庫約75%的細(xì)顆粒泥沙分布在壩前40 km 范圍之內(nèi)，這些細(xì)顆粒泥沙往往能夠輸送入海，對下游河道的淤積影響不大，但是對水庫長期有效庫容的損失影響極大．同時，小浪底庫區(qū)周邊煤炭等礦產(chǎn)資源極為豐富，分布著義馬、濟(jì)源、新安等煤礦集團(tuán)．這些礦產(chǎn)資源被開采后若不進(jìn)行充填處理，會留下大規(guī)模的采空區(qū)，使上方地基承載力下降，形成地面塌陷區(qū)，造成地面房屋斑裂、傾斜、倒塌，道路橋涵斷裂下沉，嚴(yán)重影響群眾生命財(cái)產(chǎn)安全;會造成土地貧瘠化，加劇土地干旱，耕地減少，農(nóng)業(yè)損失巨大;會破壞地下水體，降低地下水位，使地表植物的生長明顯受到影響，甚至死亡，造成地質(zhì)生態(tài)環(huán)境惡化，影響當(dāng)?shù)氐目沙掷m(xù)發(fā)展．對采空引起的塌陷區(qū)進(jìn)行事后治理的費(fèi)用高但效果微小，對于已造成的耕地減少、土地利用率降低、環(huán)境惡化、生態(tài)移民等經(jīng)濟(jì)、社會、生態(tài)問題無法完全解決，社會影響也無法在短期內(nèi)消除．因此，對煤礦采空區(qū)進(jìn)行充填等綜合治理，預(yù)防和遏制塌陷區(qū)擴(kuò)大化迫在眉睫．

目前的做法是用煤矸石作充填材料消除傳統(tǒng)的采空區(qū)［1］，既可以安全地開采“三下”(即建筑物下、鐵路下、水體下)煤礦資源［2］，又解決了煤礦瓦斯問題．但是由于充填量大，部分煤礦煤矸石資源也面臨枯竭，這就需要尋找更加豐富、廉價的材料來代替煤矸石．庫區(qū)淤積泥沙可視為理想的原材料，如果能用庫區(qū)淤積泥沙代替煤矸石作煤礦充填材料，既可以解決庫區(qū)淤積問題，又可以解決煤礦充填料來源不足的問題．筆者將小浪底泥沙作為骨料，加入水泥、粉煤灰和外加劑(包括減水劑、促凝劑和激發(fā)劑3種)配制充填材料，并對其性能進(jìn)行研究．

1 煤礦充填開采技術(shù)要求

1)充填開采的特點(diǎn)． 充填開采時，采空區(qū)有以下幾個特點(diǎn):采空區(qū)空間大，所需要的充填材料用量比較大，采用管道等運(yùn)輸設(shè)備從地面向井下運(yùn)輸充填材料時的距離比較遠(yuǎn)，相應(yīng)的基建、設(shè)備投資比較多，燃料費(fèi)用比較高．由于煤炭資源分布在層狀沉積巖中，開采時采空區(qū)覆巖隨采隨垮，充填所需的空間和通道難以維護(hù)，并且覆巖運(yùn)動控制困難，可用于充填作業(yè)的時間短，充填與采煤不能實(shí)現(xiàn)完全平行作業(yè)，二者相互干擾． 作為解決“三下”采煤的技術(shù)手段，充填開采通常還擔(dān)負(fù)著控制地表沉陷的任務(wù)，在成功采出煤炭資源的同時，既要保持較高的采出率和生產(chǎn)規(guī)模，又要最大限度地減少地表沉陷變形，確保地表建筑物保存完好與使用安全［3］． 然而，煤礦開采過程中的煤矸石產(chǎn)量僅為煤炭開采量的15%左右，若煤礦充填時僅考慮以煤矸石作為充填材料的骨料對采空區(qū)實(shí)施全部充填，則存在充填材料來源困難的問題［4］．因此，獲取資源豐富、價格低廉的充填材料以解決煤矸石的供應(yīng)不足成為了此項(xiàng)技術(shù)繼續(xù)開展的關(guān)鍵所在．

2)充填開采對充填材料的技術(shù)要求． 綜上所述，首先，充填材料要符合豐富、價廉的要求．其次，結(jié)合充填開采的特點(diǎn)，為提高開采效率，充填材料要便于運(yùn)輸，容易制備［5］． 再次，為限制地表沉陷，充填材料形成的充填體要具備滿足煤層要求的早期強(qiáng)度、長期的穩(wěn)定性以及壓縮率低的性能． 最后，在使用充填泵經(jīng)管道將充填料漿輸送到井下采空區(qū)時，要求充填料漿的稠度要小，坍落度能達(dá)到260 ～280 mm，凝結(jié)時間要短，通常初凝時間和終凝時間分別控制在2 ～4 h 與6 ～8 h．同時，為能夠較好地充填采空區(qū)，要求充填料漿不泌水，硬化后具有微膨脹性能．

2 充填材料的配合比試驗(yàn)

2．1 試驗(yàn)原材料

試驗(yàn)采用42．5 普通硅酸鹽水泥、鄭州市附近電廠的粉煤灰和小浪底庫區(qū)的泥沙(骨料)［6］．3 種材料的技術(shù)性能測試結(jié)果分別見表1—3．

表1 水泥技術(shù)指標(biāo)

表2 泥沙技術(shù)指標(biāo)

表3 粉煤灰技術(shù)指標(biāo)

由測試結(jié)果可以看出，所用泥沙的含水量比較大、顆粒比特細(xì)砂還細(xì)，粉煤灰的顆粒比較粗．

2．2 配合比試驗(yàn)結(jié)果及分析

2．2．1 配合比試驗(yàn)結(jié)果

為了研究充填材料中各組成部分對充填體性能的影響，得出合理的材料配比，試驗(yàn)參照《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(SL 352—2006)，分別就水泥用量(15% ～25%)、粉煤灰用量(15% ～25%)、外加劑(減水劑、促凝劑、激發(fā)劑)摻量對填充料拌合物坍落度、泌水率和凝結(jié)時間的影響規(guī)律進(jìn)行了試驗(yàn)研究．

水泥用量、粉煤灰用量變化時填充料拌合物性能的變化情況見表4．

選用萘系高效減水劑，促凝劑為波美度48 的水玻璃，純度為分析純的氫氧化鈉激發(fā)劑．3 種外加劑摻量對填充料拌合物性能影響的試驗(yàn)結(jié)果見表5．

為了更直觀地分析充填料各組分的變化對充填體性能的影響規(guī)律，分別繪制出填充料的坍落度、泌水率及凝結(jié)時間隨原材料摻量變化而變化的過程曲線，如圖1—4 所示．

表4 水泥用量、粉煤灰用量變化時填充料拌合物性能的變化情況

表5 外加劑摻量對填充料拌合物性能影響的試驗(yàn)結(jié)果

圖1 泌水率及坍落度隨水泥及粉煤灰用量的變化曲線

圖2 凝結(jié)時間及坍落度隨減水劑用量的變化曲線

圖3 凝結(jié)時間及坍落度隨促凝劑用量的變化曲線

圖4 凝結(jié)時間及坍落度隨激發(fā)劑用量的變化曲線

2．2．2 結(jié)果分析

1)由表4、圖1 可知:未添加外加劑時，充填料漿的泌水情況比較嚴(yán)重，初凝時間均大于10 h、終凝時間更不符合試驗(yàn)要求;充填料漿的坍落度隨著水泥摻量的增加而近似正比例增大，隨著粉煤灰摻量的增加而近似反比例減?。?/p>

2)由表5 可知，添加外加劑后，充填料漿的泌水現(xiàn)象消失，凝結(jié)時間明顯縮短，初凝時間基本能保持在2．5 h 以內(nèi)，終凝時間能保持在10 h 以內(nèi)，坍落度為250 ～270 mm．

3)由圖2 可知，當(dāng)促凝劑和激發(fā)劑摻量不變，減水劑摻量變化時，隨著減水劑摻量的增加，料漿坍落度減小，初凝和終凝時間都有所增加．減水劑摻量為2 kg/m3和4 kg/m3時，初凝時間比設(shè)計(jì)要求時間提前，終凝時間仍在允許范圍內(nèi)，可以通過調(diào)整其他外加劑摻量繼續(xù)調(diào)整．當(dāng)減水劑摻量大于4 kg/m3時，終凝時間已超出需要的范圍，初凝時間卻提前，不宜調(diào)整．因此，當(dāng)減水劑摻量為2 kg/m3時，較為合適．

4)由圖3 可知，當(dāng)減水劑和激發(fā)劑摻量不變，促凝劑摻量變化時，隨著促凝劑摻量的增加，充填料漿的初凝時間和終凝時間都不同程度地變短，坍落度符合要求，料漿流動性較好．促凝劑摻量為21、28 kg/m3時，凝結(jié)時間過長，尤其當(dāng)摻量為21 kg/m3時，初凝時間和終凝時間的變化都較大．當(dāng)促凝劑摻量為42 kg/m3時，初凝時間過短，不符合凝結(jié)時間的控制性要求，且成本增加．因此，在減水劑摻量為2 kg/m3、促凝劑摻量為35 kg/m3時，改變激發(fā)劑摻量較為合適．

5)由圖4 可知，當(dāng)減水劑和促凝劑摻量不變，激發(fā)劑摻量變化時，隨著激發(fā)劑摻量的增加，料漿的初凝時間和終凝時間均縮短，坍落度減小但符合要求．當(dāng)減水劑摻量為2 kg/m3、促凝劑摻量為35 kg/m3、激發(fā)劑摻量為6 kg/m3時，充填料漿的各項(xiàng)性能均符合要求．

6)當(dāng)普通硅酸鹽水泥摻量為400 kg/m3、粉煤灰摻量為400 kg/m3、泥沙摻量為800 kg/m3、水摻量為400 kg/m3、減水劑摻量為2 kg/m3、促凝劑摻量為35 kg/m3、激發(fā)劑摻量為6 kg/m3時，料漿的泌水情況、凝結(jié)時間及坍落度都符合要求，測得充填體的7 d抗壓強(qiáng)度已達(dá)到6．7 MPa，28 d 抗壓強(qiáng)度比設(shè)計(jì)要求強(qiáng)度還高，故這組配比為試驗(yàn)最終所需配合比．成型試塊的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見表6．

表6 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié) 語

經(jīng)過大量的試驗(yàn)，確定充填材料合理的配合比為:普通硅酸鹽水泥400 kg/m3、粉煤灰400 kg/m3、泥沙800 kg/m3、水400 kg/m3、減水劑2 kg/m3、促凝劑35 kg/m3、激發(fā)劑6 kg/m3．在此配合比下料漿的坍落度適中，流動性較好，凝結(jié)時間符合要求，無泌水、離析等現(xiàn)象，強(qiáng)度也比較理想． 不過由于此配合比下的水泥摻量和促凝劑摻量都比較大，所以成本比較高，還需進(jìn)一步優(yōu)選原材料，優(yōu)化配合比，以便將這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于工程實(shí)踐中去．

［1］梁文泉，王信剛，何真，等．礦渣微粉摻量對混凝土收縮開裂的影響［J］．武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版)，2004，37(1):77 －81．

［2］惠功領(lǐng)．我國煤礦充填開采技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展［J］．煤炭工程，2010(2):21 －23．

［3］劉建功，趙慶彪． 綜合機(jī)械化充填采煤［J］． 煤炭學(xué)報(bào)，2010，35(9):1413 －1418．

［4］施士虎，李浩宇，陳慧泉． 礦山充填技術(shù)的創(chuàng)新與發(fā)展［J］．中國礦山工程，2010，39(5):10 －13．

［5］楊寶貴，韓玉明，楊鵬飛，等．煤礦高濃度膠結(jié)充填材料配比研究［J］．煤炭科學(xué)技術(shù)，2014，42(1):30 －33．

［6］邢振賢．粉煤灰對固結(jié)砂礫料砼的增強(qiáng)作用［J］．粉煤灰綜合利用，1997(4):2 －4．