羅義 謝小平 鄧承發(fā) 余長(zhǎng)柱

摘 要：研究采用理論分析和實(shí)驗(yàn)測(cè)試的方法，對(duì)矸石膏體充填材料進(jìn)行分析，對(duì)試驗(yàn)地點(diǎn)充填工作面進(jìn)行前期的調(diào)研，總結(jié)分析已有的相關(guān)研究成果，收集掌握和論文內(nèi)容相關(guān)的地質(zhì)資料、技術(shù)信息，為相關(guān)研究奠定基礎(chǔ)。主要運(yùn)用巖石力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、彈性力學(xué)、礦山壓力等理論，在理論上對(duì)矸石粗細(xì)粒級(jí)含量、水泥的摻加量、粉煤灰的摻加量、料漿的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、添加劑等因素對(duì)膏體材料的力學(xué)性質(zhì)參數(shù)的影響進(jìn)行分析。通過(guò)對(duì)矸石膏體充填材料不同配比方案的設(shè)計(jì)，制作實(shí)驗(yàn)測(cè)試的試件，再進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室物理力學(xué)參數(shù)的測(cè)試。

關(guān)鍵詞：矸石膏體;充填材料;力學(xué)性質(zhì);實(shí)驗(yàn)測(cè)試

1 工程概況

某礦井2000年8月建成投產(chǎn)，設(shè)計(jì)能力1.5 Mt/a，核定生產(chǎn)能力2.4 Mt/a。該煤礦采用立井分水平開(kāi)拓，共布置了主、副、風(fēng)三個(gè)井筒，分兩個(gè)水平開(kāi)采，即一水平（-410m）主要開(kāi)采上組煤，第二水平（-580m）主要開(kāi)采下組煤?，F(xiàn)生產(chǎn)水平為-410m，主要開(kāi)采3上煤層。2353工作面位于2300膏體充填試驗(yàn)采區(qū)。地面標(biāo)高為38.2～39.8m，平均標(biāo)高38.85m。開(kāi)采3上煤層底板標(biāo)高-411.2～-368m，煤層埋深393.39～502.80m，平均450m，煤層厚度1.67～3.36m，平均2.73m，煤層傾角3～11°，平均6°。工作面煤層賦存穩(wěn)定，直接頂以中粒砂巖為主，老頂以粉砂巖為主，直接底以粉砂巖為主，老底以細(xì)粒砂巖為主。2353工作面位于北翼膠帶大巷的西側(cè)，膏體充填左側(cè)軌道巷距2301面老空區(qū)5m，充填工作面右側(cè)為皮帶順槽，回采時(shí)可保留下來(lái)作為2354的運(yùn)輸巷，距2354皮帶巷96m，2353工作面北側(cè)為切眼，距1340面老空區(qū)73m。2353膏體充填工作面兩順槽布置在3上煤層中，軌道巷進(jìn)風(fēng)，皮帶巷回風(fēng)，軌道巷與皮帶巷的方位角為270°。

2 膏體充填材料的選擇

沿空留巷成功的另一關(guān)鍵是沿空一側(cè)巷旁支護(hù)體的材料和性能的選擇，要求增阻速度快，并具有合理的支護(hù)阻力能適應(yīng)上覆巖層的活動(dòng)，具有較大的變形量適應(yīng)沿空留巷劇烈變形，同時(shí)希望巷旁支護(hù)成本低廉，這些特性推動(dòng)著巷旁支護(hù)技術(shù)的發(fā)展。該煤礦所用充填材料組成成分包括以下幾方面：1）煤矸石。煤矸石屬于充填材料中的骨料，其性能穩(wěn)定價(jià)格低廉，是充填材料中的主體部分，煤矸石成分的好壞會(huì)直接影響充填體的強(qiáng)度;另外，骨料的粒徑大小和大粒徑含量將會(huì)影響料漿的可泵性，因此要嚴(yán)格控制大顆粒骨料的含量，保持合適的級(jí)配。2）粉煤灰。粉煤灰是燃煤煙氣中的細(xì)粉末，在充填材料中屬于膠結(jié)劑，用來(lái)增強(qiáng)充填體的后期強(qiáng)度，粉煤灰可用來(lái)代替部分膠結(jié)料，進(jìn)而降低材料成本。此外，粉煤灰對(duì)提高膏體的泵送性能也有重要作用。選用相近電廠的粉煤灰，其質(zhì)量等級(jí)符合Ⅱ級(jí)質(zhì)量要求。3）膠結(jié)料。SL膠結(jié)料是以礦渣為主要原料，加入適量固化劑、早強(qiáng)劑等復(fù)合劑而合成的膠結(jié)料，與一般水泥膠結(jié)料相比，具有親泥性好、固結(jié)能力強(qiáng)、生產(chǎn)成本低，并且采涌SL膠結(jié)料形成的膏體充填體早期強(qiáng)度高等特點(diǎn)，能夠滿足膏體充填留巷的需要。4）拌和水。拌和水是用來(lái)拌和充填材料的，其中料漿中水的含量對(duì)于料漿的可泵性有重要影響，本礦的拌和水選用井下生產(chǎn)用水。

3 膏體充填材料強(qiáng)度測(cè)試及配比方案設(shè)計(jì)

在沿空留巷中，充填體的強(qiáng)度關(guān)系到留巷的成敗，強(qiáng)度過(guò)低會(huì)導(dǎo)致充填體不能及時(shí)切斷下位基本頂，使巷道承受上覆巖層較大的重量，最終在過(guò)大的壓力作用下充填體被壓垮造成留巷失敗。強(qiáng)度過(guò)高，則可能會(huì)造成煤幫和充填體變形不相協(xié)調(diào)，導(dǎo)致巷道圍巖小結(jié)構(gòu)變形量過(guò)大。文獻(xiàn)表明[1-5]，在充填體齡期一定的情況下，膏體中各組分所占的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均會(huì)影響充填體的強(qiáng)度，但影響強(qiáng)度的最主要因素是膠結(jié)料摻量，本文研究膏體充填體強(qiáng)度特性時(shí)忽略次要因素，著重研究膠結(jié)料摻量對(duì)其強(qiáng)度的影響。

實(shí)驗(yàn)時(shí)，首先將充填料按預(yù)先設(shè)計(jì)的方案調(diào)制成膏體，而后將膏體注入模型，待其成型后放入溫度為14～18℃，濕度≥50%的室內(nèi)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，達(dá)到預(yù)定齡期（8h、1d、7d、28d）時(shí)，將試件放在試驗(yàn)機(jī)上測(cè)量其單軸抗壓強(qiáng)度，結(jié)果見(jiàn)表1。

從表3-1中可以看出，在粉煤灰、煤矸石及質(zhì)量濃度一定的情況下，隨著膠結(jié)料摻量的增加，試件的抗壓強(qiáng)度不斷增加，方案A2在水泥摻量為60kg/m3時(shí)，試件在齡期28天時(shí)其抗壓強(qiáng)度可達(dá)到1.53 MPa，能夠滿足強(qiáng)度要求，此后雖然隨著水泥摻量的增加試件強(qiáng)度還不斷增加，但水泥摻量的增加也會(huì)大幅增加充填材料的成本，同時(shí)考慮到充填體要滿足一定的可縮量，所以最終確定膠結(jié)料摻量為60 kg/m3，暫時(shí)選定材料配比為方案A3。

4膏體充填材泵送性能

膏體的泵送性能反映了膏體在輸送過(guò)程中的難易程度，主要由流動(dòng)性、可塑性和穩(wěn)定性三部分構(gòu)成，主要衡量指標(biāo)為膏體的塌落度，塌落度過(guò)大或者過(guò)小都不利于膏體的輸送。良好的泵送性能可以確保膏體在輸送過(guò)程中不離析、不沉淀、不堵塞，不泌水，提高充填泵的充盈系數(shù)，最終提高充填作業(yè)的效率。為便于輸送，膏體的塌落度應(yīng)該保持在180～200 mm之間。試驗(yàn)時(shí)共選取了四種方案。

分析可知，隨著料漿質(zhì)量濃度的增加其塌落度逐漸降低，在質(zhì)量濃度為78%～80%的時(shí)候其塌落度在180～200 mm之間，能夠滿足膏體泵送性要求，結(jié)合前面對(duì)于充填體強(qiáng)度的要求，考慮到在集料和齡期一定的條件下，對(duì)應(yīng)固定膠結(jié)料用量，在一定圍內(nèi)隨著用質(zhì)量濃度從大到小的變化，充填體的單軸抗壓強(qiáng)度也會(huì)從大變小，所以選取料漿質(zhì)量濃度為78%。

以上述配比制成試件，測(cè)其不同齡期的抗壓強(qiáng)度，結(jié)果表明其試件能夠滿足抗壓強(qiáng)度要求，所以最終確定膏體充填材料的配比為：膠結(jié)料60 kg/m3;粉煤灰量400 kg/m3;煤矸石量1600kg/m3;質(zhì)量濃度78%。

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作者簡(jiǎn)介：

羅義（1996.03-），男，漢族，貴州赫章縣人，在讀本科學(xué)生，主要從事采礦工程專業(yè)方面的學(xué)習(xí)和研究

基金項(xiàng)目：六盤水師范學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)： 2020cxcy31）

（六盤水師范學(xué)院礦業(yè)與土木工程學(xué)院 ?貴州 ?六盤水 ?553004）