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。
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 62 , 2021 年第 2 期 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。
表 3 试验因素及水平
Table 3 Test factors and levels
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。
图 7 不同红土掺量的充填体全程应力-应变曲线
Fig.7 Stress-strain curves of backfilling body with different laterite content
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。
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