余伟健，万 幸，刘芳芳，王 直
（湖南科技大学 资源环境与安全工程学院，湖南 湘潭 ４１１２０１）
摘 要：充填开采是实现矿山安全绿色开采的重要途径，但要求充填材料来源广泛、成本低，且必须能 满足充填工艺要求为开发新型膏体充填材料，以广西百色州景煤矿为工程背景，使用取材方便、成本 较低的红土代替粉煤灰，将其与煤矸石，胶结材料混合制成红土膏体充填材料。 通过试验测量不同固 体材料质量比，不同干料质量分数的红土膏体充填材料的坍落度、扩展度、泌水率，并使用 ＲＹＬ－６００ 剪切流变仪进行单轴压缩试验，测其抗压强度与弹性模量，进而分析红土膏体充填材料的强度特性， 以及材料配比与干料质量分数对其性能的影响规律。 研究结果表明：同等条件下与传统粉煤灰型充 填材料相比，红土型充填材料强度差别不大，并且红土具有成本低、取材方便以及对环境无污染等优 势；干料质量分数对充填体强度影响最大，当为 ８０％时性能最优；随着红土掺量增加，充填体强度会 降低，数据显示，红土与水泥质量比在 １ ∶ １、１ ∶ ２、２ ∶ １ 时均满足充填要求，矸石、红土、水泥质量比为 ６ ∶ ２ ∶ １ 时，充填材料既符合膏体充填工艺要求，又能减少充填成本。 关键词：充填开采；红土；膏体充填材料
０ 引 言
从目前国内能源需求看，煤炭作为我国主要能 源在国民生产与工业领域中的地位是无可替代 的［１］ ，但随着煤炭资源开采，地下采空区导致的地 表沉降不仅使开采活动增加难度，还会影响到矿区及其周边安全，而充填开采能从源头解决这些问题， 还能有效处置固体废弃物，减少环境污染［２－３］ 。 随 着技术设备不断地改进，许多学者也通过研究，不断 地完善充填开采体系，祁和刚等［４］ 提出了“短充长 采”的开采模式，并在葫芦素煤矿和刘庄煤矿成功 应用，实现井下矸石不升井，经分选后通过输送带直 接充填采空区；余伟健等［５］ 运用岩石力学、围岩控 制原理及其相关理论分别分析充填体的支护作用机 制，煤柱的支撑条件，协作支撑系统的力学作用过 程，结果表明所提出的“充填体＋煤柱＋承重岩层”协 作支撑系统理论应用于实际充填开采优化中，能有 效地指导岩层移动及地表沉降分析与设计；贾林 刚［６］采用相似模拟试验方法开展了不同充填率对 覆岩移动特征的影响研究，总结得到了覆岩变形破 坏剧烈程度与充填率的关系。 膏体充填技术自 ２０ 世纪 ８０ 年代开发以来，经过 ３０ 余年的发展，如今已 取得了显著成果［７－９］ ，在此基础上，对于充填体材料 性能研究也有许多突破。 张吉雄等［１０］ 构建了深部 充填开采岩层运动与地表沉陷控制模型，初步研发 出矸石聚合物充填材料；郑保才等［１１］ 开展了关于组 成膏体充填材料的煤矸石、胶结材料、粉煤灰及膏体 质量分数对强度的不同程度影响研究，得到了影响 煤矸石膏体充填体强度和坍落度的因素及回归函 数；王晓东［１２］用风积砂作为骨料，以粉煤灰的质量 掺入比作为变量，通过试验研究和理论分析归纳出 粉煤灰对该充填材料性能的影响规律。 为改进膏体 充填材料组成与质量比，吴立波等［１３］ 通过正交试验 确定了赤泥－粉煤灰膏体材料的最优质量比；孙琦 等［１４］研究了煤矸石－尾砂－粉煤灰膏体不同掺量及 料浆质量分数对充填材料的性能影响，确定了最佳 质量比，并分析了其抗压强度影响机理；张元馨 等［１５］用炉底灰，煤矸石为原料制备煤矿充填材料， 研究其性能与影响因素；汪振双等［１６］ 将黄土用于矿 山膏体充填材料中，并对其力学性能进行研究，研发 出新型膏体材料；赵兵朝等［１７］用黄土取代部分粉煤 灰改良得到能够替代部分缺失充填材料的试验质量 比。 同时，在响应“绿色矿山”方面也有不少学者做 出了努力，张钊等［１８］发现将废弃的塑料制成聚乙烯 （ＰＥ）粉适量用于高水充填材料能够满足工程要求 且具有一定的应用价值；古文哲等［１９］ 初步构建了煤 矿固体废弃物流态化浆体充填技术；冯光明等［２０］ 优 化了超高水材料充填的一般工艺过程等，均为我国 矿山企业提供新的固废处理方法。
由于煤矿充填开采的性价比问题，在保证充填 工艺要求的同时，还要求充填材料来源广，成本低， 而在我国，红土是常见的土壤，主要分布在长江以南 的丘陵地带，由于红土地区降水量大且集中，闲置红 土坡极易发生滑移坍塌和水土流失，而红土本身具 有强度高，含水率高，密度和压缩性低的特点，以此 代替粉煤灰，将其与煤矸石，胶结材料混合制成新型 膏体充填材料，可以在满足充填开采需求的同时降 低成本，促进资源合理利用。
１ 充填体的材料构成
１）煤矸石。
试验所用煤矸石为州景煤矿工作 面采煤产生，经二级破碎后的煤矸石（粒径不大于 ２５ ｍｍ）一般呈灰色或灰白色，如图 １ａ 所示。 对其 进行筛分后可以发现：粒径介于 ５ ～ ２５、１ ～ ５ ｍｍ、 ＜１ ｍｍ的煤矸石质量分数分别为 ５６． ６％、２９． １％和 １４．３％。 试验所用煤矸石粒径小于 ５ ｍｍ 质量分数 达到 ４３．４％，满足了矸石级配的粒径要求，保证了不 同粒级之间能够相互填充
２）红土。
试验所用红土取自州景矿区周边，呈 褐红色，如图 １ｂ 所示，干燥后送至实验室进行试验。 红土粒径分级试验结果和物理性质参数测试结果见 表 １、表 ２。
由表 １、表 ２ 可知，粒径小于 ０．０５ ｍｍ 红土的质 量分数为 ０．７％，大于 ５ ｍｍ 的为 ９．３％，粒径大部分 集中在 ０．３ ～ ５．０ ｍｍ，整体上颗粒级配良好；孔隙度 较大、含水量中等偏低、密实性大；红土平均压缩系 数为 ０．０１，低于黄土的平均压缩系数 ０．０５。
对红土进行扫描电镜分析可知，红土中颗粒较细，多为球状，对管道润滑作用较好，包裹于大颗粒 集料，可以降低管道输送中不规则物料对管道内壁 的磨损程度。 ３）胶结材料。 试验采用的胶结材料是当地矿 山牌普通硅酸盐水泥 ＰＯ３２．５，主要成分为硅酸三 钙、硅酸二钙、铝酸钙、铁铝酸钙和石膏，硅酸三钙质 量分数 ５０％左右，硅酸二钙含量一般为 ２０％，硅酸 三钙、硅酸二钙遇水产生相同的水化反应，产物均为 水化硅酸钙（２ＣａＳｉＯ２·ｎＨ２Ｏ）。
２ 充填材料质量比设计与试验设计
２．１ 质量比设计
充填材料中各物料不同质量比，会在不同程度 上影响着膏体性能。 为研究不同质量比条件下的充 填材料性能，根据以往经验确定了砂灰比 （煤矸石 与水泥质量比） 为 ６ ∶ １，干料质量分数为 ７６％ ～ ８２％，取 ４ 个水平，水泥与红土质量比为 １ ∶ ２、１ ∶ １、２ ∶ １，另外单独设计 １ 组不添加水泥的红土－ 矸石充填体和 １ 组不添加红土的混凝土充填体 进行对照，共 ５ 个水平，养护时间均为 ２８ ｄ，共设 计 １４ 组试验，试验因素及水平分布见表 ３
２．２ 力学强度试验
采用 ７．０７ ｃｍ×７．０７ ｃｍ×７．０７ ｃｍ 的立方体三联 试模，在制备充填体前，先按照质量比把所需的各物 料称量好备用。 首先把干物料放到搅拌机中搅拌混 合均匀，再倒入称量好的水，充分混合均匀，得到流 动状态的料浆，测定料浆的坍落度和泌水率。 将膏 体注入试模后，用钢尺及时刮平表面，待终凝后拆 模，如图 ２ 所示。 将脱模后的试件放在恒温恒湿标 准养护箱（温度 ２０ ℃ ，湿度 ９０％）中养护至规定龄 期，烘干至恒重后测试结石率，然后进行单轴抗压强 度试验。
强度试验采用轴心受压形式检测试件的单轴抗 压强度。 试验采用 ＲＹＬ－６００ 岩石力学剪切流变仪， 试验采用力控制加载方式，设定加载轴力为 ０．１ ｋＮ， 加载速度为 １００ Ｎ／ ｓ。 每组测试 ３ 块，取其平均值。 根据岩石力学试验性能测试要求，用砂纸将试块表 图 ２ 脱模后部分试件 Ｆｉｇ．２ Ｐａｒｔ ｏｆ ｔｅｓｔ ｓａｍｐｌｅ ａｆｔｅｒ ｒｅｌｅａｓｅ 面打磨平整，用游标卡尺测量每个试件的实际尺寸， 并记录。 进行试验前，为避免产生端部效应，在试件 上下表面均匀涂抹一层黄油，然后将试件置于剪切 流变仪下压台正中心。
２．３ 坍落度及扩展度测试
为了分析料浆质量分数及红土掺量对充填材料 流动性能的影响特征，分别对不同灰土比与不同干 料质量分数条件下的料浆坍落度、扩展度进行测定， 试验具体流程如图 ３ 所示。
１）试验器材：坍落筒尺寸为上口 １００ ｍｍ×下口 ２００ ｍｍ×高 ３００ ｍｍ，搅拌棒，标尺，铁锹，底板等。
２）拌料：将干料按质量比混合均匀，然后从物 料堆中间扒开，将水分多次加入，搅拌成均匀料浆。
３）装料：将擦拭干净的坍落筒放置在底板上， 用脚踩住踏板，然后将搅拌好的料浆分 ３ 次装入坍 落筒，同时用搅拌棒捣实。 装满后，刮去多余料浆并 抹平（图 ４ｂ）。
４）提筒：清除底板上的废料，垂直向上提起坍 落筒手柄，让桶内物料自然塌落。 提筒过程要快速、 稳定，尽量在 １０ ｓ 内完成。
５）测量：用标尺测量筒高与塌落物最高点的 高度值，二者之差 ｈ 即料浆坍落度；用刻度尺测量 塌落物的最大直径 ｄｍａｘ与最小直径 ｄｍｉｎ ，二者平均 值即为料浆扩展度。 每组试验进行 ３ 次，取其平 均值。
２．４ 泌水率测试
泌水率是指在特定的时间内，水分从料浆中的 析出量与制备料浆时所掺入水量的百分比，计算公 式如下： Ｂ ＝ ｍＭ／ ｍ０Ｇ × １００％ （１） 式中：Ｂ 为泌水率，精确至 １％；ｍ 为泌水量，ｇ；ｍ０为料 浆用水量，ｇ；Ｍ 为料浆总质量，ｇ；Ｇ 为试样总质量，ｇ。
从制备好的均匀料浆中取部分试样于烧杯中静 置 ３ ｍｉｎ，然后多次用吸管吸出料浆液面析出水分， 直至料浆无水析出为止；将析出的水全部注入到量
筒中，进行读数，精确到 １ ｇ，不同干料质量比料浆静 置前后对照情况如图 ５ 所示。
３ 红土膏体充填材料岩石力学强度及破坏 特性
３．１ 岩石力学强度
不同质量比充填体力学性质有所差异，其强度 和变形特征不同。 通过单轴压缩试验，根据式（２） 与式（３）分别出计算充填体单轴抗压强度及弹性模 量。 弹性模量是衡量充填体稳定性的指标，其值越 大，弹性变形越小，稳定性就越强，反之稳定性越差。 各质量比充填体单轴压缩下的试验结果见表 ４。 σｃ ＝ Ｐ ／ Ａ （２） 式中：σｃ为单轴抗压强度，ＭＰａ；Ｐ 为试件破坏时的 载荷，Ｎ；Ａ 为试样的横断面面积，ｍｍ ２ 。 ε ＝ σｃＬ０ ／ （Ｌ０ － Ｌ） （３） 式中：ε 为弹性模量，ＭＰａ； Ｌ０ 为试样的原始长度， ｍｍ；Ｌ 为试样变形后的长度，ｍｍ。
由表 ４ 可知，该矿充填膏体弹性模量为 １３．１４ ～ ２１９．９８ ＭＰａ，平均弹性模量为 ６５．７１ ＭＰａ，表明试件 的弹性模量较离散，可反映出单轴压缩特性显著的 图 ５ 料浆静置前后对照 Ｆｉｇ．５ Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ ｓｌｕｒｒｙ ｂｅｆｏｒｅ ａｎｄ ａｆｔｅｒ ｓｔａｔｉｃ ｓｅｔｔｉｎｇ 各向异性特征。
此外，针对第 ７、１１、１３、１４ 组设计了 ４ 组粉煤灰 替换的对比试验（质量分数、养护时间与红土型充 填材料一致）测得单轴抗压强度分别为 ３．６２、６．９３、 １０．０７、１．４９ ＭＰａ，对比第 ７、１１、１３、１４ 组充填体平均
单轴抗压强度（依次为 ３．３５、６．４２、９．２５、１．３９ ＭＰａ） 可知：同等条件下的粉煤灰型充填材料与红土型充 填材料相比较强度差别不大，考虑到红土的成本比 较低、取材方便以及对环境无污染等因素，优先选用 红土作为充填材料。
３．２ 试件破坏特征
试件破坏准则服从摩尔－库仑屈服准则。 从破 坏特征来看（图 ６），在试验加载过程中，试件破裂规 律相差无几，破裂分布均从试件周围向中间扩散，试 件表面裂纹、裂隙明显。 但随着红土掺量的增加，试 件在相同条件下更容易产生破坏，破坏形态更加明 显。 试件呈现剪切破坏形式，在轴向应力作用下，破 坏面的剪应力超过了其所能承受的破坏面的最大剪 应力，造成试件沿破坏面产生剪切破坏。
由图 ７（图中 Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ 分别为不同水泥与红 土的质量比水平，即素水泥、２ ∶ １、１ ∶ １、１ ∶ ２、素红 土）可知，不同质量比试件均经历了初始压密阶段、 弹性变形阶段、屈服变形阶段和破坏后阶段。
初始孔隙压密阶段：曲线呈上凹型，此阶段充填 体孔隙被压密，变形小，基本可以恢复；弹性变形阶 段：曲线近似呈直线，该阶段随着应力增大，试件变 形幅度减小，该阶段的充填体对顶板的支撑作用比 较大；屈服变形阶段：此阶段应力与应变之间的直线 关系被破坏，曲线斜率减小，在荷载作用下，试件达 到峰值强度。 在达到峰值强度前，不同配比试件的 压密和弹性变形阶段相似，屈服阶段各异；破坏后阶 段：试件达到强度极限后，随着应力增加，抗压强度 逐渐降低，到达一定值后，试件产生破坏。
４ 红土膏体性能影响分析
４．１ 红土掺量影响
４．１．１ 红土掺量对充填材料力学特性的影响 为得到充填体强度与红土掺量之间的影响关 系，将红土掺量作为变量，保持干料质量分数和养护 时间不变，得到充填体强度与红土掺量的变化曲线 （图 ８）。
由图 ８ 可知红土掺量对充填体强度的影响：保 持干料质量分数不变，充填体强度随着红土掺量的 增加呈现下降趋势。 其中第 １４ 组试验中的无胶凝 材料充填体（素红土）强度为 １．３９ ＭＰａ，不能满足充 图 ８ 红土掺量与充填体强度的关系 Ｆｉｇ．８ Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｃｏｎｔｅｎｔ ｏｆ ｌａｔｅｒｉｔｅ ａｎｄ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｏｆ ｂａｃｋｆｉｌｌｉｎｇ ｂｏｄｙ 填强度要求。 和素水泥相比较，随着红土加入比例 的增加、水泥加入比例的减少，最大干密度逐渐减 少，最优含水量逐渐增加，这是由于红土置换出水 泥，水泥的包裹、填充和胶结作用被削弱，进而降低了 充填体的密实程度。 从强度角度考虑，水泥与红土比 例为 ２ ∶ １、１ ∶ １、１ ∶ ２ 的充填体，强度均满足充填要求。
４．１．２ 红土掺量对充填材料输送性能的影响
根据充填料浆坍落度、扩展度及泌水率试验获 取的数据可知新型膏体充填材料的坍落度、扩展度 及泌水率与红土掺量的变化关系（图 ９、图 １０）。 由图 ９ 可知，若干料质量分数一定，随红土掺量 的增加，充填体坍落度、扩展度均呈先上升后下降的 趋势，这说明红土比例的增加降低充填料浆的流动 性。 由图 １０ 可知，若干料质量分数一定，随红土掺 量的增加，充填体泌水率总体呈递减趋势，这说明红 土具有一定的吸水性。 综上所述，当水泥与红土比 例为 ２ ∶ １、１ ∶ １、１ ∶ ２ 时，新型膏体充填体坍落度、 扩展度及泌水率均满足充填要求。
４．２ 干料质量分数影响
４．２．１ 干料质量分数对充填材料力学特性的影响
为得到充填体强度与质量分数之间的影响关 系， 将干料质量分数作为变量，保持灰土比和养护 时间不变，得到充填体强度与干料质量分数的变化 拟合曲线（图 １１）。 由图 １１ 可知干料质量分数对充填体强度的影 响：在保持红土掺量不变的前提下，充填试块强度随
着干料质量分数的增加整体呈现上升趋势，且增长 幅度随干料质量分数增加呈上升趋势。 从强度角度 考虑，干料质量分数为 ７８％、８０％、８２％的充填体，强 度均满足充填要求。
４．２．２ 干料质量分数对充填材料输送性能的影响
若水泥与红土的比例一定，随干料质量分数的 增加，膏体坍落度、扩展度、泌水率均呈递减的变化 趋势（图 １２），但泌水率要尽量保持在一个低水平， 以增强料浆稳定性（图 １３）。 因此，当干料质量分数为 ７６％、７８％、８０％时，新 型膏体充填体坍落度、扩展度及泌水率均满足充填 要求。 图 １２ 料浆坍落度及扩展度随干料质量分数变化规律 Ｆｉｇ．１２ Ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｌｕｒｒｙ ｓｌｕｍｐ ａｎｄ ｓｐｒｅａｄ ｗｉｔｈ ｄｒｙ ｍａｔｅｒｉａｌ ｍａｓｓ ｆｒａｃｔｉｏｎ 图 １３ 料浆泌水率随干料质量分数变化规律 Ｆｉｇ．１３ Ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｏｆ ｗａｔｅｒ ｒａｔｅ ｏｆ ｓｌｕｒｒｙ ｗｉｔｈ ｄｒｙ ｍａｔｅｒｉａｌ ｍａｓｓ ｆｒａｃｔｉｏｎ
５ 结 论
１）用红土替代粉煤灰制作充填体，因地制宜， 取材方便、成本低，而且能很好包裹于大颗粒，对管 道润滑作用较好，减少输送中对管道内壁的磨损。
２）干料质量分数对充填体强度影响最大，其强 度增长幅度随干料质量分数增加而提升，当干料质 量分数为 ８０％时，充填体性能最优；随着红土质量 的增加，充填材料的抗压强度会降低，破坏形态更明 显，矸石、红土、水泥质量比 ６ ∶ ２ ∶ １ 能满足低成本， 高强度的充填工艺要求。
３）红土膏体坍落度、扩展度随着红土掺量增加 呈先上升后下降的趋势，而泌水率随红土掺量增加 总体呈递减趋势；水泥与红土的比例一定时，随干料 质量分数的增加，膏体坍落度、扩展度、泌水率均呈 递减的变化趋势。
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湘潭乾坤矿山尾矿充填整体承包方案介绍
尾砂充填系统EPC总承包--机械过滤系统
一、膏体充填核心技术：
膏体配比参数的实验研究和确定，可根据充填目的，优化充填体强度参数，根据流动性能、凝固性能和强度要求，优化灰沙比。
采矿方法和充填工艺的可行性、充填综合成本的研究，选择合适特性的膏体充填工艺技术方案。
确定全尾砂脱水方式与装备，膏体搅拌制备方式与装备，膏体输送方式与装备，保证膏体均质和活化。
确定膏体管道泵送的流变特性、临界流速、阻力损失等核心参数。
选择合理的控制方式，确保膏体充填系统的连续稳定工作。
膏体充填系统的调试使所有工艺设备达到设计的最佳工作状态。
三、干堆尾砂工艺流程
四、湿排尾砂工艺流程
五、技术参数
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