ZKD高水速凝材料及其泵送充填技术的研究_颜志平

　第22卷第3期

煤炭学报Vol .22　N o .3 1997年　6月JOURNAL OF CH INA COAL SOC IET Y

June 1997　ZKD 高水速凝材料及其泵送充填技术的研究

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颜志平(浙江大学) 漆泰岳　张连信　侯朝炯

(中国矿业大学)摘要　根据ZKD 高水速凝材料的组成及性能特征,计算了合理的巷旁充填支护参数,设

计了泵送高水净浆材料和高水灰渣材料的新充填工艺系统,并对翟镇煤矿沿空留巷巷旁充填工

业性试验进行了分析与评价.研究结果表明,ZKD 高水速凝材料具有良好的塑性性能,既能

适应回采工作面顶板的活动规律,又能有效地控制围岩变形,维护巷道,因而是一种理想的巷

旁充填材料.

关键词　高水速凝材料　灰渣　沿空留巷　巷旁充填　钢模板

中图分类号　TD 350.4

根据无煤柱开采沿空留巷技术发展的需要,中国矿业大学从1984年开始研究用于整体浇注巷旁充填的高水速凝材料和巷旁充填技术,研制成功了以特制硫铝酸盐水泥熟料为基材的ZKD 高水速凝材料;并在完成国家“七五”科技攻关项目“灰渣应用于井下充填的研究”的基础上,又承担了国家“八五”重点科技攻关项目“沿空留巷机械化构筑护巷带技术”,对材料及其泵送充填技术进行了更深入的研究,其中与新汶矿务局翟镇煤矿合作进行井下工业性试验研究,共充填800m 巷道,其中使用一级料充填300m ,灰渣和净浆各占150m ;其余500m 使用二级料充填.

1　ZKD 高水速凝材料的组成及其性能的研究

1.1　ZKD 高水速凝材料的组成

ZKD 高水速凝材料由甲料和乙料两部分组成,统称为胶结料,通常按重量比1∶1配合使用.

(1)甲料　以特制硫铝酸盐水泥熟料为基材与少量悬浮剂、超缓凝剂混和粉磨而成,其中硫铝酸盐水泥熟料从作用和配量上都是最主要和最基本的.特制硫铝酸盐水泥熟料是多种矿物的集合体,其主要有效矿物成分是硫铝酸钙和硅酸二钙.

(2)乙料　由石灰、石膏、少量悬浮剂和速凝早强剂等多种原料配制混磨而成.它为甲料水化生产钙矾石提供足够的CaO ,CaSO 4,以及适宜的介质条件,以提高钙矾石的生产速率和产率,并可人为地调控胶结料的水化速率,以满足不同工程的需要.

1.2　ZKD 高水速凝材料的基本性能

高水速凝材料是一种新型固体混合材料,它与水泥有某些相似之处,但又具有许多独特的性能.

(1)水用量大(即水灰比高)　常用的水灰比在2.0～3.0之间,根据工程要求可任意调整.在该水灰比条件下,凝固体中水体积比达85.2%～90%(胶结料密度按2900kg /m 3计算).

收稿日期:1996-11-15

国家“八五”重点科技攻关项目(编号:85-201-01-08)

(2)速凝早强　甲、乙料浆液混合后立即水化、凝结,并很快硬化成坚硬的人工石.初凝时间为5～30min ,30min 即产生强度,且强度增长速度很快,7d 抗压强度即可达到终强的95%左右.

(3)可泵时间长　甲、乙料分别加水搅拌成浆液后,静置24h 以上不凝结、不堵管、可继续泵送,减少了施工过程中管路、设备冲洗工作量.既可连续输送,又可在24h 之内间断输送.

(4)良好的力学特性　高水速凝材料抗压试验时,当加压至极限载荷试件不发生脆性破坏,塑性变形量较大,残余强度高,有突出的塑性特征.试验采用M TS815刚性伺服机,试件用ZKD 高水速凝材料,水灰比为2.5∶1,用 5cm ×10cm 圆柱形试模成型.

单向压力作用下的变形性能:当应变率为5%时,各龄期残余强度的最小值为峰值强度的70.7%,最大可达90.4%;应变率为10%,15%,20%时,残余强度均分别达到峰值强度的59.1%,51.4%,44.4%.说明该材料具有良好的塑性特征,能适应巷道围岩及其他介质的较大变形.

三向压力下的变形性能:ZKD 高水速凝材料在不同侧压下进行的三轴压缩试验结果与单轴压缩试验结果相比,由于受侧压的影响,其塑性特征更加突出.在轴向应变为5%时,残余强度平均为其峰值强度的95.4%,比单轴压缩时提高了24.2%;当轴向应变高达20%和24%时,其残余强度还分别达到72.9%和65.3%,充分显示了三轴压缩下ZKD 高水速凝材料具有优良的塑性性能.

极限载荷后强度再发展性能:由于高水速凝材料具有一定的可塑性,故不易发生脆性破坏.当它承受到极限载荷时,在拉应力集中的各点上会出现一些肉眼难以观察到的细微裂缝,只要这些裂缝未达到临界宽度,卸载后继续养护,裂缝能自动愈合,且强度将继续发展.这一性能对井下巷旁充填具有非常重要的实用意义,当充填体受初次来压后,只要未发生宏观破裂,其抗压强度将随龄期的增长而继续发展.

图1　试验地点Fig .1　T est site

2　试验地点的生产技术条件

试验地点位于翟镇煤矿一采区二层煤1201西

工作面回风巷(图1).该面倾斜长度平均155m ,

走向长度1045.6m ,其中工作面外段800m 为试

验段.煤层厚度平均为2.2m ,含一层夹矸;煤层

倾角平均为8°.

1201西工作面为高档普采面,其顶板为复合

顶板:伪顶为泥岩,厚度0～0.2m ;直接顶为粉

砂岩,中间夹一层煤,煤厚平均为0.6m ,直接顶

岩层总厚度为6.4m 左右;老顶为砂岩,厚度约2

～10m .底板为粉砂岩和砂岩,其中粉砂岩中间

夹有一层煤,煤厚平均为0.6m ,而砂岩层较厚,

一般在10m 以上.3　沿空留巷旁充填体支护参数设计

根据巷旁充填体的作用原理,充填体在工作面

后方具有的支护阻力,在顶板活动剧烈期间,应使老顶沿巷旁充填体侧的弯矩达到极限,从而引起拉断破坏,切断老顶岩层,使充填体卸载,有效地维护巷道.

按照回采工作面上覆岩层活动的一般规律,在老顶破断稳定以前,巷旁充填体除平衡直接顶外,还必须提供切断老顶的支护阻力;老顶活动稳定以后,充填体主要起维持直接顶和老顶的平衡作用.271第3期 颜志平等:ZK D 高水速凝材料及其泵送充填技术的研究