高水充填材料抗压强度研究_张海波

高水充填材料抗压强度研究
张海波，刘春风，冯丹丹，史海月，张
刚，郭鹏飞，管学茂
（河南理工大学材料科学与工程学院，河南焦作454000）
［摘要］高水材料作为煤矿开采充填材料具有很多优点，但目前关于水固比3ʒ1以上的材料
强度研究较少。

文章初步研究了原材料配比、水固比、研磨时间对高水材料抗压强度的影响规律。

结果表明：水固比为3ʒ1的条件下，A 料B 料配比为1ʒ0.8时高水材料结石体强度最高，为3.11MPa ；当水固比为5ʒ1时，结石体强度大幅度降低，但随A 料B 料配比增加，结石体抗压强度逐渐增加。

A 料研磨时间为10min 、B 料研磨时间为30min 的组合，结石体抗压强度最高，3天单轴强度为1.23MPa 。

［关键词］
高水充填材料；抗压强度；水固比
［中图分类号］TD823.7
［文献标识码］A
［文章编号］1006-6225（2012）05-0014-02Research on Compression Strength of Stowing Material With High-water Content
ZHANG Hai-bo ，LIU Chun-feng ，FENG Dan-dan ，SHI Hai-yue ，ZHANG Gang ，GUO Peng-fei ，GUAN Xue-mao
（Material Science ＆Engineering School ，Henan University of Science ＆Technology ，Jiaozuo 454000，China ）
Abstract ：High-water material has many advantages for mine stowing．Current research on material strength whose ratio of water to sol-id is over 3ʒ1is absent．This paper researched the influence of proportioning ，ratio of water to solid ，grind time on compression strength of high-water material．Results showed that under the 3ʒ1ratio of water to solid ，when A ʒB was 1ʒ0.8high-water material strength reached largest 3.11MPa．Under the 5ʒ1ratio of water to solid ，material strength reduced largely ，but with proportion of A to B increased ，material strength improved．When A and B ’s grind time was respectively 10min and 30min ，material un-axial strength reached the largest 1.23MPa after 3days．
Keywords ：high-water stowing material ；compression strength ；ratio of water to solid
［收稿日期］2012－05－08
［基金项目］教育部高等学校博士学科点专项科研基金资助项目（20094116110001）；河南省杰出人才基金资助项目（114200510006）；矿
业工程材料重点学科开放实验室基金资助项目（MEM11－9）
［作者简介］张海波（1974－），男，河南焦作人，副教授，博士生，主要从事混凝土及其外加剂研究。

绿色开采是矿山开采发展的方向，充填开采是
绿色开采的重要组成部分，尤其是在“三下（水体、建筑物、铁路）”采煤时，必须保留60%以
上的煤柱以防止地面沉降［1］
，极大地浪费资源。

从常用充填材料来看，我国充填工艺技术的发展，经历了废石干式充填、碎石混凝土胶结充填、分级尾砂水力充填和胶结充填、高浓度棒磨砂或分级尾
砂胶结充填、全尾砂膏体胶结充填的发展过程［2］
，但都存在着工艺复杂、增加运输量、劳动强度高、采空区密实效果不理想等缺点。

高水材料具有价
廉、使用方便、可泵送等优点［3］
，作为充填材料，料浆在采空区不脱水，充填体接顶率高，尤其是在
仰采情况下，可采用开放式充填工艺，采充周期短，提高采场生产能力，对井下环境基本无污染
［4］。

但目前研究还不够充分，尤其是在超高水
固比下（水固比大于3ʒ1）的强度性能缺乏深入研究。

高水充填材料含水量越高，充填成本越低，本文分别通过高效研磨的方法来提高高水充填材料
结石体含水量，研究了结石体强度变化规律。

1试验原料与制备1.1
试验原料
硫铝酸盐熟料：焦作华岩实业有限公司生产；混合料：以石膏为主要成分的无机矿物材料。

为方便叙述，在下文中将硫铝酸盐熟料称为A 料，混合料称为B 料。

1.2
试样制备
将A 料和B 料按设计水固比分别在快速研磨机中研磨规定时间，将2种浆液混合，注入40mm ˑ40mm ˑ40mm 试模，人工将试模振动数下，排出
浆体内气泡，室温养护1d 脱模，继续养护3d ，测
定3d 抗压强度。

2试验结果与分析
2.1
A 料
B 料配比对抗压强度的影响
改变A 料和B 料质量比（如表1所示），分别
4
1第17卷第5期（总第108期）
2012年10月煤矿开采Coal mining Technology Vo1.17No.5（Series No.108）
October 2012
测试水固比为3ʒ1和5ʒ1时的结石体抗压强度，结果如图1所示。

可以看出，水固比为3ʒ1时，随着A 料B 料配比逐渐增加，结石体强度呈现先增大后减小的趋势，在配比为1ʒ0.8时达到最大，3d 抗压强度为3.1MPa 。

当水固比为5ʒ1时，随着A 料B 料配比逐渐增加，材料的强度呈连续增长趋势。

表1
硫铝酸盐熟料与混合料的配比
试块硫铝酸盐熟料/g
混合料/g 外加剂/g 3－150
750.13－250600.13－350500.13－450450.13－550400.13－650350.13－7
50
30
0.1
注：3－1表示水固比为3ʒ1的第1
组实验
图1A 料和B 料质量比对抗压强度的影响
2.2
水固比对抗压强度的影响
选用A 料B 料配比1ʒ0.8，A 料及B 科研磨时间均为20min ，分别试验了3ʒ1，5ʒ1，7ʒ1，
9ʒ1四种水固比下结石体抗压强度，结果如图2所示。

图2不同水固比的强度变化曲线
由图2可知，水固比提高，结石体抗压强度迅速降低。

水固比为3ʒ1时结石体抗压强度为2.28MPa ，水固比5ʒ1时为0.37MPa ，水固比7ʒ1时为0.31MPa ，水固比为9ʒ1时抗压强度虽然较低，但仍能达到0.13MPa 左右。

这是因为结石体含水量越高，其微结构中的钙矾石晶体越纤细，晶体间的空隙也越多
［5］
，从而强度越低。

2.3
研磨时间对抗压强度的影响
选用A 料B 料配比1ʒ0.8，水固比为5ʒ1，
研究A 料B 料的研磨时间对结石体抗压强度的影响，结果如图3所示。

图3A 料与B 料研磨时间与强度的关系
由图3可知，A 料研磨时间为10min 、B 料研磨时间为30min 的组合，结石体抗压强度最高，为1.23MPa 。

研磨时间与强度的关系在很大程度上取决于研磨对材料粒度的影响。

如图4，图5所示，随研磨时间的延长，A 料最大粒径D95（累积分布95%的粒径）呈降低趋势，但降低速率逐渐减小，研磨时间为10min 时，平均粒径D50为7.6μm 。

同样B 料粒径随研磨时间的增加而降低，在测试时间内降低速率近似一致，研磨时间为30min 时，
平均粒径D50为5.0μm。

图4A
料粒径随研磨时间的关系
图5B 料粒径随研磨时间的关系
以上结果表明，并非原料粒径越小，结石体强
度越高，而是存在着一个最佳颗粒级配，在此颗粒级配下结石体可以在保证高含水量又可以获得高抗
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5
1张海波等：高水充填材料抗压强度研究2012年第5期
图2巷柱排距为1600mm的巷柱尺寸与配筋
而言，条带开采区采用优化方案与原方案相比，采出率由40%增加至50%，采出率提高10%；采出量增加约10kt；生产利润由1163.7万元增加到1727.5万元；29U或36U型钢巷道支护成本52.5万元，锚杆支护成本为21.3万元，巷柱费用为25.3万元；优选方案节约支护成本5.9万元；优选方案比原方案多得经济效益579.8万元。

同时，条采区采用巷柱式联合加固进行开采，有效地解放了大量宝贵的煤炭资源，增加了原煤产量，避免了国家资源的浪费，延长了矿井服务年限，经济效益和社会效益明显。

3结论
（1）对试验区原条带开采设计（采宽80m，留宽120m，采出率为40%）进行了优化，提出了优化方案：采宽100m，留宽100m，采出率为50%。

（2）提出了巷柱式联合加固留设煤柱条带开采技术，并对试验区进行了设计，并给出了锚杆和巷柱的有关设计参数。

（3）按照优化方案开采采出率由40%增加到50%，试验段150m可多采出煤量10kt，可取得良好的经济效益和社会效益，可为类似条件的开采提供借鉴。

［参考文献］
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［责任编辑：林健］
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（上接15页）
压强度。

这可能是由于A料与B料各自矿物在水中的溶解扩散速率不同造成的。

A料中的硫铝酸钙矿物水化较快，而B料中石膏水化溶解相对较慢，所以B料粒径需要更小一些，实现水化溶解速率与A料中水化速率相匹配，生成更多的钙矾石。

3结论
（1）水固比为3ʒ1时，随着A料B料配比逐渐增加，材料结石体的强度呈现先增大后减小的趋势，在配比为1ʒ0.8时达到最大。

当水固比为5ʒ1时，随着A料B料配比逐渐增加，材料结石体的强度呈现增大的趋势。

（2）水固比为3ʒ1时结石体抗压强度为2.28MPa，水固比5ʒ1时为0.37MPa，水固比7ʒ1时为0.3MPa，水固比为9ʒ1时，高水材料结石体仍具有可观的强度，其抗压强度仍可达到0.13MPa。

（3）水固比5ʒ1时，A料研磨时间10min、B 料研磨时间30min的组合，结石体抗压强度最高，为1.23MPa。

并非原料粒径越小，结石体强度越高，而是存在着一个最佳颗粒级配，在此颗粒级配下结石体可以在保证高含水量下获得高抗压强度。

［参考文献］
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［责任编辑：施红霞］
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刘义新等：建筑物下压煤条带煤柱支护设计2012年第5期。