高水充填材料的制備技術(shù)研究

1、高水充填材料的技術(shù)研究我國煤礦開采普遍采用自然垮落法管理頂板、處理采空區(qū)，已造成嚴(yán)重的環(huán)境問題，地表塌陷、建筑物壓煤、地下水資源破壞、煤矸石環(huán)境污染等問題尤為突出。為適應(yīng)可持續(xù)發(fā)展的要求，2003年，錢鳴高院士依據(jù)循環(huán)經(jīng)濟(jì)的思想，提出了“綠色開采”技術(shù)的概念，其基本內(nèi)涵是防止或盡可能減輕煤炭開采對環(huán)境和其它資源的造成的不良影響，其目標(biāo)是取得最佳的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，其中的主要內(nèi)容就包括充填開采技術(shù)。一、 國內(nèi)煤礦充填開采研究進(jìn)展礦山充填有數(shù)百年的歷史，但有計(jì)劃的充填并作為一種技術(shù)發(fā)展在國外有近60年的歷史，國內(nèi)則是近40年的事，而且主要在金屬礦發(fā)展的比較快和成熟。金屬礦山充填經(jīng)歷了干式充填、水

2、砂充填、膠結(jié)充填和全尾砂膠結(jié)充填等四個(gè)發(fā)展階段，國內(nèi)煤礦的充填開采是在金屬礦山充填開采的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，分為膏體充填開采和高水充填開采。1、膏體充填開采國內(nèi)投入較大，采用充填技術(shù)較早的是太平煤礦。該礦從2003年開始先后投入6000多萬元，料漿制備和輸送采用德國技術(shù)，以泗河河砂、電廠粉煤灰加專用膠結(jié)料和水配制成膏狀料漿，泵送至井下充填空區(qū)。新礦集團(tuán)的孫村煤礦則以破碎的陶化煤矸石經(jīng)過粗碎和細(xì)碎后的新鮮煤矸石為主料，添加粉煤灰和早強(qiáng)劑配制成似膏體料漿，通過自流方式進(jìn)行充填。河北邢臺(tái)礦也進(jìn)行了膏體充填的試驗(yàn)研究，充填主料為粉煤灰。該礦進(jìn)行的另一項(xiàng)試驗(yàn)研究是半飽和矸石與粉煤灰充填。方法是將矸石與粉煤

3、灰以適當(dāng)?shù)谋壤旌虾?，通過投料系統(tǒng)、井下運(yùn)輸系統(tǒng)運(yùn)至采煤工作面，再通過充填機(jī)充填到采空區(qū)，由搗實(shí)機(jī)進(jìn)行搗實(shí)，達(dá)到解放建筑物下壓煤并控制覆巖運(yùn)動(dòng)及地表沉陷的目的。從充填技術(shù)看，國內(nèi)煤礦與金屬礦有著顯著的不同。一是大多選用膏體或似膏體充填，二是充填主料主要是煤矸石和粉煤灰。原因可能在于：一是膏體或似膏體充填在金屬礦的應(yīng)用比較成熟，二是煤礦充填區(qū)的擋墻制做和密封困難，膏體或似膏體充填的防滲堵漏壓力小，一般的編織袋擋墻即可滿足要求；三是煤礦沒有金屬礦的尾礦，但煤矸石排放量大，粉煤灰的資源不難獲得。但這種充填方法存在三個(gè)突出問題：（1）充填料接頂困難，充填效果差。由于膏體或似膏體料漿流動(dòng)性差，很難保證充

4、填均勻，尤其在部分頂板塌落后，充填效果更難保證?！敖禹敗北緛砭褪浅涮畹碾y題，對薄煤層空區(qū)充填，采充比自然偏大，難以達(dá)到控制地表沉陷的目的。（2）輸送成本高。煤礦資源不像金屬礦體那樣相對集中在較小的范圍，平面延展的范圍通常很大，充填料需要長距離輸送，不得不采用泵送方式的膏體或似膏體充填勢必增加充填成本。（3）矸石破碎增加充填成本。為了滿足制漿和輸送要求，以矸石為充填主料的充填不得不采用破碎方式將矸石破碎或棒磨為碎細(xì)料，因而引起充填成本的提高。2、高水充填置換開采高水充填開采技術(shù)開始于20世紀(jì) 90年代，最初應(yīng)用于國內(nèi)的黃金礦，后不斷推廣應(yīng)用在煤礦的高水巷旁充填支護(hù)。從20世紀(jì) 90年代開始，先后

5、在鶴壁、平頂山、開灤、淮北、邢臺(tái)、峰峰等礦務(wù)局推廣使用。由于高水充填巷旁支護(hù)速度快、施工方便、擴(kuò)巷效果好、勞動(dòng)強(qiáng)度低，曾給我國的巷旁支護(hù)技術(shù)帶來了一場技術(shù)革命。 高水巷旁支護(hù)應(yīng)用時(shí)，一般按水固比2.5：1制成甲、乙漿液，用灌漿泵雙管路輸送到采煤工作面后方，混合后進(jìn)入保留巷道采空區(qū)一側(cè)充填袋內(nèi)，漿液在充填袋內(nèi)凝結(jié)固化形成 0.71.0m寬巷旁充填支護(hù)帶及時(shí)支護(hù)頂板、保護(hù)巷道。然而，這種高水材料生產(chǎn)及運(yùn)輸成本較高，其充填體強(qiáng)度還顯略低，因此這項(xiàng)技術(shù)需進(jìn)一步完善和提高。幾乎同時(shí)，由徐州礦務(wù)局龐莊煤礦開發(fā)并應(yīng)用的另一種高水充填材料則很好的解決了這一問題。該材料為高水灰渣充填材料，高水灰渣充填材料成本較

6、低，相對強(qiáng)度較高，抗風(fēng)化性能較好。最近，這一技術(shù)由淄博王莊煤礦進(jìn)行了改良，已成功得到應(yīng)用。王莊煤礦開發(fā)的高水充填材料以粉煤灰為主料，以水泥、生石灰、石膏的混合物為固化劑，兩者加水混合做成加氣混凝土，利用自重輸送到充填工作面。這一材料因具有膨脹功能，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)接頂，特別適合于薄煤層充填。二、淄礦集團(tuán)充填開采的研究情況淄礦集團(tuán)現(xiàn)在的主采煤區(qū)處于城市周邊，人口稠密，地表沉陷、村莊和城市建設(shè)壓煤問題突出，嚴(yán)重制約了公司煤炭產(chǎn)能的擴(kuò)大和效益的提升，另外，地下水污染和煤矸石堆放所帶來的環(huán)境問題也很明顯。淄礦集團(tuán)非常重視村莊壓煤開采問題，從2007年開始，淄礦集團(tuán)在岱莊煤礦進(jìn)行試點(diǎn)，開發(fā)了固體廢物膏體充填開

7、采技術(shù)，一方面希望通過膏體充填開采技術(shù)實(shí)現(xiàn)岱莊煤礦條件下能夠在不遷村、少賠償?shù)那疤嵯掳踩⒏咝?、高采出率地回收傳統(tǒng)條帶開采不能解決的條帶煤柱，保證礦井可持續(xù)發(fā)展；另一方面希望通過膏體充填開采技術(shù)的實(shí)施，對于新采區(qū)不再采用條帶開采，而直接采用長壁工作面膏體充填無煤柱不遷村開采，既可靠保證地面村莊建筑物，又最大量地采出煤炭資源。2009年，淄礦集團(tuán)埠村煤礦對高水充填開采技術(shù)進(jìn)行了研究，主要目的一是解決村莊及地面建筑物的壓煤、回收煤柱問題，二是解決受承壓水威脅煤層安全開采問題，從而延長礦井服務(wù)年限。埠村煤礦地處濟(jì)東煤田中南部，現(xiàn)有可采煤層6層，其中9、10層煤炭資源量為5354.4萬噸，占全礦保有資

8、源量的86%，然而，這兩層煤層受承壓水威脅嚴(yán)重，如何安全開采出這些煤炭資源成為制約礦井發(fā)展的一大難題。由于煤層平均厚度僅為1m左右，又有一定傾角，很難采用膏體充填開采技術(shù)。集團(tuán)公司和埠村煤礦經(jīng)過先期的調(diào)研和論證，認(rèn)為采用高水充填置換開采技術(shù)可以解決這一問題，并認(rèn)為可以首先在911采區(qū)先行先試，待技術(shù)成熟后再大面積推廣。高水充填置換開采技術(shù)中最重要的問題是充填材料，本研究的目的就是制備適合高水充填開采工藝所要求的充填材料。三、開展研究的工作面情況911采區(qū)位于埠村煤礦西區(qū)9-1煤首采區(qū)。地面位于山后寨以南，危山北麓，對應(yīng)的地表建筑主要為圣井廣場、圣井鎮(zhèn)、山后寨村、309國道。地勢南高北低，標(biāo)高9

9、7.1121.47m。采區(qū)上限標(biāo)高-240m,下限標(biāo)高-384m。采區(qū)走向1200m、傾斜寬750m，面積900000m2。煤層直接頂為五灰，厚2.3m，灰色致密，含海百合莖化石，其上為沙質(zhì)頁巖，厚6.64m，為灰黑色，含砂少，垂直節(jié)理發(fā)育。煤層直接底為細(xì)砂巖，厚2.43m，深灰色，石英長石質(zhì)砂巖，水平層理，老底為細(xì)砂巖，厚5.99m，灰色長石英砂巖，矽泥質(zhì)膠結(jié)。西區(qū)911采區(qū)共布置8個(gè)回采工作面，2004年7月首采面9110工作面采用走向條帶（工作面傾斜長度40m）進(jìn)行試采，7月31日13時(shí)該工作面推采33m時(shí)初次來壓，后部頂板跨落，工作面發(fā)生突水，水量達(dá)334.8m3/h。后進(jìn)行了注漿封堵

10、，于2005年8月恢復(fù)生產(chǎn)，并改用傾向小條帶進(jìn)行開采，根據(jù)工作面水文地質(zhì)條件確定采留比（工作面里段采6 m留10 m、外段采15 m留25 m），2006年3月該面安全回采結(jié)束。采區(qū)其他回采工作面采用傾向小條帶開采，采留比分別為采6 m 留10、采15m留25 m、采15 m 留20m、采20 m留20 m，已于2009年8月安全回采結(jié)束。采區(qū)共計(jì)采出原煤59.16萬噸，尚有36萬噸煤柱儲(chǔ)量。四、高水充填材料的性能要求高水充填材料必須具備良好的性能，才能用于煤礦充填置換開采，具體來說應(yīng)具備以下基本性能：1、強(qiáng)度煤層開采后留下采空區(qū)，若不充填任何物質(zhì)，地壓則會(huì)顯現(xiàn)，出現(xiàn)突水和地面塌陷。充填材料必

11、須具有適當(dāng)?shù)目箟簭?qiáng)度和抗變形能力才可控制和適應(yīng)圍巖變形。一般來講，充填材料固化后若能達(dá)到煤的自身強(qiáng)度，則能較好地堵水和抵抗地層壓力。不同煤種的抗壓強(qiáng)度不同，一般在2MPa左右，因此，固化后的充填材料的抗壓強(qiáng)度應(yīng)超過2MPa。2、輸送能力好的充填材料還必須使用方便，采煤工作面都在井下幾百米，充填材料必須具有良好的流動(dòng)能力，才能滿足長距離輸送要求。更好的是，不采用外加設(shè)備，利用材料自身重力自流輸送。這樣，要求材料有高的輸送倍線，好的材料要有10以上的輸送倍線。3、合適的固化特性所謂的固化特性主要是指材料的初凝時(shí)間和終凝時(shí)間。我們知道，較高的輸送能力必然要求輸送時(shí)材料的粘度不大。在操作時(shí)，輸送過程是

12、在充填材料初凝前完成的，這就要求充填材料具有較長的初凝時(shí)間，以便于輸送過程的控制。材料充填后，輸送過程完成，這時(shí)，則需要材料快速凝結(jié)固化，產(chǎn)生強(qiáng)度，以滿足控制承壓水和支撐頂?shù)装宓男枰?，這樣就要求材料的終凝時(shí)間盡可能的短。4、較低的成本合適的充填材料不僅施工簡單，性能優(yōu)越，還應(yīng)當(dāng)具有較低的成本，與采煤成本相比，應(yīng)具有明顯的優(yōu)勢，這樣充填開采在經(jīng)濟(jì)上才是可行的。5、較高的安全性和穩(wěn)定性充填材料的具有壓裂后再膠結(jié)性能和良好的抗風(fēng)化性能是保證充填體長期發(fā)揮作用的前提，因此，研究并掌握高水充填材料的基本性能非常重要，是成功應(yīng)用高水充填材料所必須的。 五、高水充填材料的主要原料粉煤灰高水充填材料的主要原料

13、為粉煤灰、水泥、生石灰、石膏、發(fā)泡劑和水等。原料種類、原料來源和品質(zhì)決定了材料制備的配方和工藝，也決定了充填材料的基本性能，因而，原料對充填材料至關(guān)重要?，F(xiàn)對主要原料及其作用進(jìn)行簡單論述。1、粉煤灰粉煤灰是煤粉或含煤矸石經(jīng)高溫燃燒后形成的一種似火山灰質(zhì)混合材料。粉煤灰本身略有或沒有水硬膠凝性能，但當(dāng)其以粉狀并有水存在時(shí)，能在常溫，特別是在水熱處理(蒸汽養(yǎng)護(hù))條件下，與氫氧化鈣或其他堿土金屬氫氧化物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成具有水硬膠凝性能的化合物，成為一種增加強(qiáng)度和耐久性的材料。粉煤灰的活性與它的化學(xué)組成和物理狀態(tài)有關(guān)。粉煤灰的化學(xué)組成與粘土質(zhì)相似，主要成分是SiO2和Al2O3，還含有少量的FeO、

14、Fe2O3、CaO、TiO2、MgO、K2O、 Na2O、SO3、MnO2等氧化物成分。SiO2、TiO2來自黏土或巖頁；Fe2O3主要來自黃鐵礦；MgO和CaO來自與其相應(yīng)的碳酸鹽和硫酸鹽。其主要化學(xué)組成見下表。表1 我國粉煤灰的化學(xué)組成成分SiO2Al2O3Fe2O3CaOMgOSO3Na2OK2O燒失量范圍,%34.365.7614.5940.121.5 16.220.446.800.23.720.006.000.104.230.022.140.6329.97均值50.828.16.23.71.20.81.20.67.9粉煤灰的活性主要來自活性SiO2(玻璃體SiO2)和活性A12O3

15、(玻璃體A12O3)在一定堿性條件下的水化作用，因此，粉煤灰中活性SiO2、活性A12O3和f-CaO(游離氧化鈣)都是活性的有利成分。S在粉煤灰中一部分以可溶性石膏(CaSO4)的形式存在，它對粉煤灰早期強(qiáng)度的發(fā)揮有一定作用，因此，粉煤灰中的硫?qū)Ψ勖夯一钚砸彩怯欣M成。粉煤灰中的鈣含量在3%左右，它對膠凝體的形成是有利的。國外把CaO含量超過10%的粉煤灰稱為C類灰，而低于10%的粉煤灰稱為F類灰。C類灰其本身具有一定的水硬性，可作水泥混合材，F(xiàn)類灰常作混凝土摻和料，它比C類灰使用時(shí)的水化熱要低。粉煤灰中少量的MgO、Na2O、K2O等生成較多玻璃體，在水化反應(yīng)中會(huì)促進(jìn)堿硅反應(yīng)。但MgO含量

16、過高時(shí)，對安定性帶來不利影響。粉煤灰中的未燃炭粒疏松多孔，是一種惰性物質(zhì)不僅對粉煤灰的活性有害，而且對粉煤灰的壓實(shí)也不利。過量的Fe2O3對粉煤灰的活性也不利。表2 粉煤灰的基本物理特性項(xiàng) 目密度/（g/cm3）堆積密度/（g/cm3）比表面積（cm2/g）原灰標(biāo)準(zhǔn)稠度/%需水量/%28d抗壓強(qiáng)度比/%氮吸附法透氣法范 圍1.92.90.5311.261800195001180653027.366.7891303785均 值2.10.7803400330048.010666粉煤灰的物理性質(zhì)中，細(xì)度和粒度是比較重要的項(xiàng)目，它直接影響著粉煤灰的其它性質(zhì)。粉煤灰越細(xì)，細(xì)粉占的比重越大，其活性也越大。

17、粉煤灰的細(xì)度影響早期水化反應(yīng)，而化學(xué)成分影響后期的反應(yīng)。粉煤灰的細(xì)度常用篩余率表示，劣質(zhì)粉煤灰篩余率比原來生產(chǎn)中使用的粉煤灰大得多。劣質(zhì)粉煤灰平均顆粒大、活性低，在生產(chǎn)過程中容易下沉，澆注穩(wěn)定性與保水性差，有可能塌模，且制品強(qiáng)度低。2、水泥水泥是粉狀水硬性無機(jī)膠凝材料，加水?dāng)嚢韬蟪蓾{體，能在空氣中硬化或者在水中更好的硬化，并能把砂、石等材料牢固地膠結(jié)在一起。按主要水硬性物質(zhì)不同，水泥可分為硅酸鹽水泥（國外通稱波特蘭水泥）、鋁酸鹽水泥、硫鋁酸鹽水泥、鐵鋁酸鹽水泥、氟鋁酸鹽水泥、以火山灰或潛在水硬性材料及其它活性材料為主要組分的水泥等六類。通常用的水泥則為硅酸鹽水泥，它又可分為硅酸鹽水泥、普通硅酸

18、鹽水泥、礦渣硅酸鹽水泥、火山灰質(zhì)硅酸鹽水泥、粉煤灰硅酸鹽水泥和復(fù)合硅酸鹽水泥，最常用的是硅酸鹽水泥和普通硅酸鹽水泥。硅酸鹽水泥的化學(xué)成分為CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3，其中硅酸鈣礦物不小于66%，CaO和SiO2質(zhì)量比不小于2.0。硅酸鹽水泥的主要性能指標(biāo)有：（1）比重與容重：普通水泥比重為3，容重通常采用1300kg/m3。（2）細(xì)度：指水泥顆粒的粗細(xì)程度。顆粒越細(xì)，硬化得越快，早期強(qiáng)度也越高。硅酸鹽水泥和普通硅酸鹽水泥以比表面積表示，一般不小于300m2/kg；礦渣硅酸鹽水泥、火山灰質(zhì)硅酸鹽水泥、粉煤灰硅酸鹽水泥和復(fù)合硅酸鹽水泥以篩余表示，80m方孔篩篩余不大于10%或45m方

19、孔篩篩余不大于30%。（3）凝結(jié)時(shí)間：水泥加水?dāng)嚢璧介_始凝結(jié)所需的時(shí)間稱初凝時(shí)間。從加水?dāng)嚢璧侥Y(jié)完成所需的時(shí)間稱終凝時(shí)間。硅酸鹽水泥初凝不小于45min，終凝不大于390min；普通硅酸鹽水泥初凝不小于45min，終凝不大于600min。（4）強(qiáng)度：硅酸鹽水泥的強(qiáng)度等級分為42.5、42.5R、52.5、52.5R、62.5、62.5R六個(gè)等級，普通硅酸鹽水泥的強(qiáng)度等級分為42.5、42.5R、52.5、52.5R四個(gè)等級。表3 各種標(biāo)號(hào)的水泥強(qiáng)度數(shù)據(jù)1(硅酸鹽水泥)強(qiáng)度,Mpa標(biāo)號(hào)抗 壓 強(qiáng) 度抗 折 強(qiáng) 度3天28天3天28天42.517.042.53.56.542.5R22.04.05

20、2.523.052.54.07.052.5R27.05.062.528.062.55.08.062.5R32.05.5表4 各種標(biāo)號(hào)的水泥強(qiáng)度數(shù)據(jù)2（普通硅酸鹽水泥）強(qiáng)度,Mpa標(biāo)號(hào)抗 壓 強(qiáng) 度抗 折 強(qiáng) 度3天28天3天28天42.517.042.53.56.542.5R22.04.052.523.052.54.07.052.5R27.05.0（5）體積安定性：指水泥在硬化過程中體積變化的均勻性能。水泥中含雜質(zhì)較多，會(huì)產(chǎn)生不均勻變形。（6）水化熱：水泥與水作用會(huì)產(chǎn)生放熱反應(yīng)，在水泥硬化過程中，不斷放出的熱量稱為水化熱。（7）標(biāo)準(zhǔn)稠度：指水泥凈漿對標(biāo)準(zhǔn)試桿的沉入具有一定阻力時(shí)的稠度。3、生石

21、灰高水充填材料制備中，石灰主要提供有效氧化鈣，在水熱條件下與氧化硅、氧化鋁反應(yīng)，以形成強(qiáng)度；保持堿度，使鋁粉產(chǎn)生發(fā)氣條件，促進(jìn)發(fā)氣反應(yīng)。此外，石灰水化反應(yīng)過程放出大量熱，能提高料漿溫度，加速料漿稠化，有助于充填料的固化。生石灰的主要成分是氧化鈣（CaO），它的品位高低直接影響充填材料的質(zhì)量。生石灰的質(zhì)量主要指其消解特性和有效鈣含量。欠燒或過燒生石灰都將極大地影響澆注的穩(wěn)定性，還會(huì)造成摻量的提高，加氣混凝土的生產(chǎn)一般都要求采用中速石灰。選擇消解速度為lOmin15min、消解溫度7O90、磨后粉狀生石灰中的有效CaO含量為65以上的產(chǎn)品。如果受當(dāng)?shù)夭牧舷拗?，只有快速灰，可采取磨前滴加三乙醇胺溶?/p>

22、助磨或添加35廢漿或按比例添加石膏進(jìn)行混磨等方式，以有效減緩快速石灰的消解，使料漿澆注后的稠化與發(fā)氣相協(xié)調(diào)，避免坯體稠化后憋氣。一般情況下，應(yīng)調(diào)節(jié)生石灰的用量。4、石膏石膏是生產(chǎn)石膏膠凝材料和石膏建筑制品的主要原料，也是硅酸鹽水泥的緩凝劑。石膏對石灰的消化有抑制作用，因而使加氣混凝土料漿稠化時(shí)間延長。石膏過多時(shí)，有可能影響氣泡的穩(wěn)定，發(fā)生冒泡和收縮下沉，甚至料漿不能稠化而發(fā)生不穩(wěn)定現(xiàn)象。石膏的主要化學(xué)成分是硫酸鈣（CaSO4），自然界常以二水石膏（CaSO42(H2O)）的形式存在，理論組成(wB%)：CaO 32.5，SO3 46.6，H2O +20.9。成分變化不大，常有粘土、有機(jī)質(zhì)等機(jī)械

23、混入物，有時(shí)含SiO2、Al2O3、Fe2O3、MgO、Na2O、CO2、Cl等雜質(zhì)。5、膨脹劑水泥膨脹劑是一種化學(xué)外加劑，加在水泥中，當(dāng)水泥凝結(jié)硬化時(shí)，隨之體積膨脹，起補(bǔ)償收縮和張拉鋼筋產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力以及充分填充水泥間隙的作用。實(shí)際上，水泥膨脹劑是利用輕金屬(主要是鋁粉，近年來使用鐵粉、鋁粉等)與堿性水泥起化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生氫氣，而使水泥體積膨，起提高水泥強(qiáng)度的作用，故亦有人稱為水泥發(fā)泡劑。應(yīng)具備下列性質(zhì)：（1）發(fā)泡速度要適當(dāng)，過快過慢都會(huì)影響混凝土質(zhì)量。（2）生成的氫氣氣泡直徑要小而且分散均勻。尤其是水泥漿全容積狀態(tài)下澆注入模，更需分散均勻，才能保證澆模質(zhì)量。（3）產(chǎn)生氣體時(shí)不得影響水泥的凝結(jié)和固

24、化。如果延緩水泥凝結(jié)，會(huì)招致水泥強(qiáng)度下降或產(chǎn)生水泥異常凝結(jié)現(xiàn)象。六、高水充填材料的配方設(shè)計(jì)經(jīng)過對高水充填材料的主要原料分析，我們可以看出，高水充填材料的水化反應(yīng)與水泥的水化反應(yīng)很類似，由粉煤灰提供活性的氧化硅和氧化鋁，即所謂的硅質(zhì)材料，而主要由生石灰提供氧化鈣，即所謂的鈣質(zhì)材料。1、高水充填材料反應(yīng)機(jī)理高水充填材料的反應(yīng)機(jī)理為：（1）具有活性的生石灰與水反應(yīng)生成氫氧化鈣，在強(qiáng)堿條件下，粉煤灰中的活性組分氧化硅和氧化鋁等與鈣離子反應(yīng)生成水合硅酸鈣凝膠或鈣礬石，生石灰在這一過程中既是激發(fā)劑，又參與了反應(yīng)。（2）石膏中的鈣離子延緩了生石灰的消化，同時(shí)也延緩了氧化鋁與氧化鈣的作用，總體上起到了緩凝劑的

25、作用，使高水充填材料料漿初始稠化時(shí)間延長。（3）在強(qiáng)堿條件下，水泥膨脹劑（主要是鋁粉）與堿發(fā)生反應(yīng)，生成氫氣，從而使高水材料具有膨脹性。高水充填材料水化反應(yīng)的結(jié)果是生成了水合硅酸鈣、鈣礬石、氫氧化鈣和硫鋁酸鈣等無定形或結(jié)晶態(tài)物質(zhì)，與水泥的水化產(chǎn)物類似，因而具有一定的強(qiáng)度。強(qiáng)度的大小與水料比、固化劑的配比等緊密相關(guān)。2、王莊煤礦基本配方分析加氣混凝土和王莊充填材料的強(qiáng)度分別可以達(dá)到10MPa和23MPa，這兩者的基本配方如下：加氣混凝土基本配方種類粉煤灰水泥生石灰石膏膨脹劑水加入量，固體料%65707101519350.0760注：該配方獲得的材料固結(jié)后強(qiáng)度約10MPa，膨脹率30%。王莊充填材

26、料基本配方種類粉煤灰固化劑膨脹劑水加入量，噸2220.0230注：該配方獲得的材料固結(jié)后強(qiáng)度約23MPa，膨脹率10%20%。從上面的兩個(gè)配方表中可看出，王莊煤礦對加氣混凝土的配方進(jìn)行了大幅的調(diào)整：（1）水灰比大幅提升，從0.6增加到1.2，減少了固體料的用量，利于降低成本；（2）大幅降低了固化劑的用量，從固體量30%減少到0.083%，同樣有利于降低成本；（3）由于大幅提高了水灰比和降低了固化劑的用量，因此要保證充填材料有足夠的抗壓強(qiáng)度，材料的膨脹率降低，以保持材料有足夠的密度；（4）由于固化劑的用量大幅降低，因此，固化劑中水泥的含量可能很少或沒有，而生石灰的用量會(huì)明顯增加。這樣，我們可以按

27、照以下思路來設(shè)計(jì)充填材料的工藝配方：（1）首先對埠村礦周邊的原料進(jìn)行簡單分析，獲得原料基本性能數(shù)據(jù)，然后在加氣混凝土和王莊配方的基礎(chǔ)上調(diào)整配方，做出試塊。（2）分析試塊的抗壓強(qiáng)度、固化特性、膨脹率、流動(dòng)性能等與配方之間的關(guān)系，并與充填材料要求的基本性能進(jìn)行對比，進(jìn)而改進(jìn)優(yōu)化配方。3、充填材料的性能分析及控制（1）充填材料的凝固特性充填材料的凝固特性是指其凝結(jié)時(shí)間，包括初凝時(shí)間和終凝時(shí)間?？紤]到采煤工作面的生產(chǎn)方式、管路輸送時(shí)間、拆模時(shí)間等因素，必須選用具有合適初凝時(shí)間和終凝時(shí)間的材料配方。從充填工藝的要求來看，長的初凝時(shí)間和短的終凝時(shí)間對充填工藝控制有利。高水充填材料的水化反應(yīng)與水泥水化反應(yīng)類

28、似，因此，可以通過改變固化劑的配方予以調(diào)整，加入緩凝劑和改變硫酸鈣的加入量，可有效調(diào)整充填材料的初凝時(shí)間和終凝時(shí)間，以滿足充填的需要。另外，環(huán)境溫度對初凝時(shí)間和終凝時(shí)間也有影響，所以，冬天施工和夏天施工的配方應(yīng)該有所區(qū)別。（2）充填材料的輸送能力充填材料的輸送能力與充填材料的稠度有關(guān)，稠度大，充填能力弱；稠度小，充填能力強(qiáng)。充填過程是在充填材料的初凝時(shí)間前進(jìn)行的，因此，充填材料在其初凝時(shí)間前的稠度變化對充填能力影響重大。充填材料的稠度變化與充填材料的反應(yīng)過程緊密相關(guān)。從實(shí)際來看，料漿在初凝時(shí)間前的稠度變化可分為4個(gè)階段：第一階段：稠度曲線較陡，漿液發(fā)生微稠變化。因?yàn)榱蠞{由干料加水制成，可認(rèn)為這

29、是干料充分吸收水分的階段，化學(xué)反應(yīng)尚未進(jìn)行。第二階段：稠度變化緩慢，表明自由水的體積含量沒有顯著變化，發(fā)泡反應(yīng)尚未開始，可認(rèn)為此段時(shí)間為初期反應(yīng)階段。第三階段：稠度再次變陡，發(fā)生較大的下降，表明自由水有較大的消耗或體積含量降低，可認(rèn)為這是化學(xué)反應(yīng)急劇進(jìn)行，消耗大量水分，產(chǎn)生大量氣泡，料漿快速膨脹的階段。第四階段：稠度再次緩慢，表明造氣反應(yīng)基本停止，開始轉(zhuǎn)入固化階段。實(shí)際的充填施工應(yīng)選擇料漿稠度變化平緩且較小的階段進(jìn)行。另外，只要控制好兩罐料之間的間隔時(shí)間，及時(shí)沖洗管內(nèi)存料，可以保證正常輸送，不會(huì)堵管。（3）充填材料的固化強(qiáng)度充填材料固化后的強(qiáng)度與所用原料品質(zhì)和水灰比有關(guān)，原料品質(zhì)等級高，水灰比

30、小，材料固化后強(qiáng)度就大；反之，材料固化后強(qiáng)度則小。（4）膨脹過程控制在高水材料充填過程中，膨脹劑的發(fā)氣反應(yīng)要滿足工藝和安全的要求。充填材料在混合攪拌中以及后面的輸送過程中不能大量發(fā)氣，否則一會(huì)造成輸送能力的下降，二會(huì)造成材料穩(wěn)定性不佳；也不能在凝固的后期大量發(fā)氣，否則會(huì)因壓力造成充填材料的開裂。較理想的情況是在料漿充填到工作面后均勻發(fā)氣，充填穩(wěn)定進(jìn)行，完成自動(dòng)接頂。要做到充填穩(wěn)定，實(shí)質(zhì)上就是使料漿的稠化和鋁粉發(fā)氣同步進(jìn)行且相互匹配的過程。在料漿充填到工作面后，料漿中的固體顆粒被大量的水分開，料漿較稀，極限剪應(yīng)力較小，而鋁粉與生石灰消解產(chǎn)生的氫氧化鈣反應(yīng)生成的氫氣氣泡不斷脹大，推動(dòng)料漿的膨脹。只

31、要料漿有一定粘度，并且稠化速度跟得上鋁粉的發(fā)氣速度，料漿就會(huì)順利膨脹，整個(gè)料漿體系就處于一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)料漿的稠化跟不上發(fā)氣速度，料漿中固體粒子下沉速度過快，將使料漿出現(xiàn)嚴(yán)重泌水，料漿上部極限剪應(yīng)力不但不上升，反而徘徊下降，氣泡大量合并上浮，從而引起整個(gè)料漿體系的不穩(wěn)定，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致沸騰（氣泡從料漿表面大量逸出）。當(dāng)料漿稠化過快，則發(fā)氣不暢，會(huì)導(dǎo)致憋氣、沉陷、裂縫。（1）影響發(fā)氣速度的因素a. 鋁粉的發(fā)氣速度與鋁粉的種類和顆粒組成有關(guān)，如果鋁粉過細(xì)，則其發(fā)氣時(shí)間將大大提前，在此情況下，如果料漿太稀，保氣能力太差，就可能發(fā)生嚴(yán)重冒泡。b. 堿濃度和料漿對鋁粉的發(fā)氣速度有重要影響，料漿中的堿濃度和

32、料漿溫度越高，鋁粉反應(yīng)越快。堿濃度和料漿溫度的影響與生石灰的品質(zhì)和加入量有關(guān)，石灰中有效氧化鈣(ACaO)含量的多少及消解溫度的高低直接影響鋁粉的發(fā)氣速度。以石灰為鈣質(zhì)材料時(shí)，如果石灰的品質(zhì)變化幅度不大，鋁粉的摻量即大體恒定。只有當(dāng)石灰品質(zhì)變化范圍太大而需增減料漿量和石灰摻量時(shí)，才需要調(diào)整鋁粉摻量以調(diào)整發(fā)氣速度和容重。 c. 實(shí)驗(yàn)表明，石膏會(huì)顯著延緩鋁粉的發(fā)氣進(jìn)程。在使用石膏作調(diào)節(jié)劑的高水充填材料中，石膏用量是否恰當(dāng)，不僅關(guān)系到充填材料固化性能，而且也會(huì)影響發(fā)氣進(jìn)程。d. 鋁粉的加入時(shí)機(jī)和攪拌時(shí)間也對發(fā)氣速度有影響，前者可調(diào)控鋁粉與堿溶液接觸的時(shí)間，以調(diào)節(jié)鋁粉開始發(fā)氣的時(shí)機(jī)，后者則通過鋁粉液攪

33、拌時(shí)間的長短來調(diào)控鋁粉的發(fā)氣速度。為了使鋁粉發(fā)氣在適當(dāng)?shù)某矶葪l件下進(jìn)行，顯然應(yīng)當(dāng)選擇一個(gè)適當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)。發(fā)氣過早則料漿太稀，發(fā)氣過晚則料漿太稠，對鋁粉發(fā)氣和料漿膨脹都不利。一般情況下在全部干料攪拌3min后投入鋁粉液，在5s內(nèi)全部投完。并在攪拌45s60s后進(jìn)行快速充填。(2) 影響料漿稠化速度的因素a. 水泥的品種與用量會(huì)影響料漿的稠化速度，但在采用以生石灰為主的混合鈣質(zhì)材料時(shí)，水泥對料漿的稠化速度不起主導(dǎo)作用，但水泥用量的增加，在一定程度上會(huì)延緩稠化，但會(huì)顯著提高充填料固化后的強(qiáng)度。生石灰的性能和用量對料漿稠化速度影響很大，特別值得注意的是生石灰的消解溫度、消解時(shí)間、氧化鈣含量等因素，對整個(gè)料

34、漿系統(tǒng)的溫度增長速度和稠化速度通常起決定性作用。如果所用生石灰的消解時(shí)間太短，則料漿稠化太快，反之，如果生石灰消解時(shí)間太長，則料漿稠化太慢。料漿稠化的快慢在其他因素不變的前提下，主要與生石灰的質(zhì)量有關(guān)。粉煤灰也對料漿的稠化速度有重要影響。影響稠化速度的是粉煤灰的細(xì)度和礦物組成。粉煤灰的篩余率越小，活性氧化硅和氧化鋁的含量越大，料漿稠化速度越快。在一般情況下，水料比小，料漿稠密化過程中黏度增長的速度快，達(dá)到稠化的時(shí)間短；水料比大，料漿黏度增長速度慢，達(dá)到稠化的時(shí)間長。然而，當(dāng)所用原料固定，需要的材料強(qiáng)度一定，水灰比基本也就固定，所以，實(shí)際情況下，水灰比的影響很小。石膏對石灰的消化有抑制作用，因而使加氣混凝土料漿稠化時(shí)間延長。石膏過多時(shí)，會(huì)影響氣泡的穩(wěn)定，發(fā)生冒泡和