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中國(guó)煤炭學(xué)會(huì)

礦用超高水充填材料及其結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)研究――馮光明
發(fā)布時(shí)間: 2015年12月7日
來(lái)源： 中國(guó)煤炭學(xué)會(huì)
目的 　　我國(guó)煤炭資源豐富、煤礦“三下”壓煤普遍。一方面，產(chǎn)煤省多地處平原，村莊密集，壓煤比重大；另一方面，新礦區(qū)、新井田的不斷建設(shè)，使得壓煤量持續(xù)增加。與此同時(shí)，煤炭開(kāi)采造成地表沉陷、建筑物破壞及地下水與土地資源減少，使礦區(qū)生態(tài)不斷惡化。充填開(kāi)采是解決上述諸問(wèn)題的有效手段之一，其核心是充填材料。本文根據(jù)充填開(kāi)采需要，擬研制一種含水量超高的充填材料。一方面可以顯著減少固體材料用量，實(shí)現(xiàn)充填成本的大幅度降低，另一方面也使充填材料輸送工藝的實(shí)施如同輸水一樣簡(jiǎn)便，使充填開(kāi)采技術(shù)得以迅速、持續(xù)發(fā)展。 方法 　　在詳細(xì)查閱大量國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，詳細(xì)研究超高水材料的生成機(jī)理及充填開(kāi)采的工藝特點(diǎn)，對(duì)超高水材料的各組成要素進(jìn)行研究。實(shí)驗(yàn)以材料的抗壓強(qiáng)度及凝結(jié)時(shí)間為表征參數(shù)，以顯著提高充填材料中水的用量、減少固體材料份額、簡(jiǎn)化充填工藝為目的，經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，找出超高水材料合理的配方組成。并對(duì)所形成的超高水材料的基本性能、顯微結(jié)構(gòu)及應(yīng)用進(jìn)行研究。 結(jié)果 　　以雙電層理論為指導(dǎo)，經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)，得到兩類(lèi)復(fù)合外加劑（復(fù)合緩凝分散劑RF63與復(fù)合速凝劑AF726），以此為基礎(chǔ)，制得一類(lèi)水體積分?jǐn)?shù)可以達(dá)到95%~97%的新型超高水材料。該材料主要由Ａ，Ｂ兩種物料構(gòu)成，其中Ａ料以硫鋁酸鹽水泥與復(fù)合緩凝劑為主，Ｂ料由石膏、石灰及復(fù)合速凝劑組成。材料在水固質(zhì)量比高達(dá)11:1的情況下可凝固，終凝強(qiáng)度可達(dá)0.66 MPa。材料凝結(jié)時(shí)間與抗壓強(qiáng)度可通過(guò)外加劑摻量及水固比進(jìn)行調(diào)整，Ａ，Ｂ單料漿體可持續(xù)30~40 h不固化，混合后漿體可快速凝固。該材料具有早強(qiáng)、快硬的特點(diǎn)，7d抗壓強(qiáng)度能夠達(dá)到最終強(qiáng)度的60%~90%。經(jīng)材料形成機(jī)理分析及超高水材料固結(jié)體的電鏡分析表明，超高水材料固結(jié)體的主要成分為鈣礬石。其鈣礬石呈纖細(xì)的絲網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，同時(shí)伴有鋁膠及其它凝膠類(lèi)物質(zhì)。當(dāng)水體積大于95%時(shí)，這種纖細(xì)的絲網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，低于此值則向針狀結(jié)構(gòu)發(fā)展。故定義水體積可達(dá)到95%及以上的材料為超高水材料。本材料在田莊礦薄煤層與陶一礦厚煤層兩個(gè)不同條件下的采空區(qū)得到成功應(yīng)用。研制的超高水材料用于現(xiàn)場(chǎng)采空區(qū)充填時(shí)，因其水含量特別高，易于管道輸送，混合漿體可方便地灌注于采空區(qū)，充填工藝十分簡(jiǎn)單；其次，超高水材料充填開(kāi)采可大量消耗井下污水，顯著降低排水費(fèi)用，減少排水對(duì)地面的污染。 結(jié)論 　　所研制出的超高水材料能夠滿(mǎn)足井下充填的需要。這種材料在水固比為10:1~11:1時(shí)，單位體積中固體材料用量只有原來(lái)高水材料固體用量的1/3或更少，使噸煤充填成本不到原來(lái)的1/3。其在兩個(gè)礦井、兩個(gè)不同煤層條件的成功應(yīng)用說(shuō)明這種材料用于井下充填可行，為我國(guó)“三下一上”充填開(kāi)采提供了新材料。