CN107857525A - 一种充填保水采煤填料及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种充填保水采煤填料，以重量份数计，包括以下组分：600～660份风积沙、560～640份粉煤灰、260～290份水泥和300～400份水。本发明还公开一种如上任意一项所述充填保水采煤填料在充填保水采煤领域的应用。本发明将充填料浆确定为按一定比例的风积砂、粉煤灰、水泥加水制成质量浓度为60％～70％的膏体，通过管道泵送至充填采场。保证了膏体强度可以满足煤矿现场工业性试验对充填体强度的需求。

Description

一种充填保水采煤填料及其应用
技术领域
本发明涉及煤矿开采技术领域，具体涉及一种充填保水采煤填料及其应用。
背景技术
榆神府矿区地处毛乌素沙漠的边缘地带，地表大部分为典型的风成沙丘及风沙滩，具有丰富的风积沙资源。这些风沙在戈壁以及大风的共同作用下，其着落点随着风向的改变而改变，进而飘落在建筑物、构筑物和土地上，造成大面积的土地沙漠化，不仅对生态环境造成了巨大的破坏，而且也给周围居民的生活带来了许多影响。
风积沙主要由岩屑、长石和石英三种矿物组成，三种矿物的总含量一般为90％以上。岩屑组成多种多样，主要有火成岩、沉积岩、变质岩。另外还有少量的其它矿物成分，包括白云母、黑云母及褐铁矿、黄铁矿、绿泥石、角闪石、阳起石、锆英石等重矿物。
风积沙沙粒风化程度不高。坚硬的石英颗粒，其表面较为平滑，少有风化痕迹；碳酸盐岩屑、泥石屑等颗粒由于质地软弱或含有可溶蚀的杂质，其表面往往出现溶孔、凹坑、麻点、擦痕等风化迹象；而在长石与火成岩颗粒表面除可见到一般的磨蚀痕迹外，有时也可见到主要由褐铁矿组成的厚度为几十微米的包膜。
风积沙的力学特性包括压缩性和压实性：
压缩性：风积沙的压缩系数比较小，一般在0.01～0.04MPa之间，属于低压缩性材料。风积沙的压缩性与矿物成分和颗粒外观形状有关，风积沙的矿物成分主要为石英长石，颗粒磨圆度较高，压缩容易完成，因此，风积沙比较容易压实，并且压后变形量也比较小。
压实性：风积沙体的压实，就是使沙体从松散状态转变为密实状态的过程。风积沙的压实是指风积沙颗粒之间的空隙达到最小。
(1)风积沙处于干燥状态时，非常松散，粘结力几乎为零，此时需要克服的主要是内摩擦阻力；击锤或配重落到沙体上时，力以振动波的形式传播，沙体不但在垂直方向上受力，而且水平方向上也受派生出的力的作用，产生跳跃式位移，所有这些位移的方向总是朝着空隙的地方发展，从而使颗粒得到重新排列，逐渐趋于密实。
(2)随着风积沙中含水量的增加，首先是水破坏了天然状态下干燥颗粒表面吸附膜的润滑作用，产生了水对石英类矿物的非润滑效应，因而其内摩擦阻力增大；同时毛细水产生的毛细压力也阻止颗粒间的位移；颗粒间会形成公共水膜，颗粒间有水胶粘结作用。结合水不同于自由水，其具有一定的粘滞性、弹性和抗剪性。含水量较小时，水膜很薄，因而其粘结作用很强，从而增大了内聚力，所有这些都导致沙样不易压实，因此，随着含水量的增加，风积沙的密实性越来越差。
粉煤灰是从煤燃烧后的烟气中收捕下来的细灰，是燃煤电厂排出的主要固体废物。我国每年产出大量的原煤，其中大部分煤用来发电，通常每消耗2吨煤就会产生1吨粉煤灰，因此，我国粉煤灰的产生量很大。1994年电力系统火力发电厂粉煤灰排放量为9114万t，2000 年全国粉煤灰排放量达到了1.6亿t，占地达到50万亩以上，2006年为12.74亿t，基本上每年以1亿t左右排放量递增。大量粉煤灰的堆放不仅占用了大量土地，也给生态环境造成了极大的破坏。
粉煤灰矿物组分十分复杂，低钙粉煤灰主要有六种矿物组分，即空心微珠、海绵状玻璃体、石英、氧化铁、炭粒和硫酸盐。
在我国现在排放的低钙粉煤灰中，玻璃微珠的含量较低，往往只有50％左右，其中漂珠为1％～3％、沉珠为30％～40％、磁珠为4％～ 15％。海绵状玻璃体含量较多，炭粒含量有时高达20％以上，氧化铁含量不高，而莫来石往往偏多，矿物组成的波动也较大。
粉煤灰随着煤种、煤粉细度、燃烧以及收集方法不同，物理和化学性质有许多差别，原煤中沉积物(不燃物)的种类和含量是粉煤灰具有特定化学成分的主要根据，也是造成粉煤灰化学成分波动的主要原因，其主要成分为SiO2，AI2O3，Fe2O3，CaO和未燃炭，另含有少量K、P、S、Mg等的化合物和As、Cu、Zn等微量元素，烧失量为 1％～26％。粉煤灰的烧失量可以反映锅炉燃烧的状况，烧失量越高，粉煤灰的质量越差。
根据粉煤灰中CaO含量高低，一般将其分为高钙灰和低钙灰。 CaO含量在20％以上的为高钙灰，其质量优于低钙灰。粉煤灰中SiO2、 Al2O3、Fe2O3的含量关系到用它作为建材原料的好坏。美国粉煤灰标准规定：F级低钙粉煤灰用于水泥和混凝土，SiO2、Al2O3、Fe2O3的含量和必须占总量的70％以上；高钙粉煤灰(C级)三者含量和必须占50％以上。
粉煤灰实际上是由各种颗粒机械混合的粒群，因此粉煤灰质量的优劣和波动，很大程度上取决于各种颗粒的组成及其组合的变化。从形貌上将煤灰中的颗粒粗略地分为：珠状颗粒、渣状颗粒、钝角颗粒、碎屑及粘聚颗粒。
不同品质的粉煤灰由于所含有的矿物化学成分和种类的不同以及细度，烧失量的不同，其表现出的物理和化学性质也有所差异，一般来讲粉煤灰中SiO2含量为45％～60％，AI2O3含量为20％～30％， Fe2O3含量为5％～10％，上述三种成分的总含量按我国建筑部分的规范规定应在70％以上。实践证明，只要粉煤灰中的含碳量在8％以下，对水泥的水化过程就无明显的负面影响。粉煤灰的活性主要与其所含成分SiO2、AI2O3和CaO有关，SiO2与Al2O3含量越多，粉煤灰的活性就越大，但只有在粉煤灰颗粒表层中以玻璃体形态存在的SiO2与 Al2O3，在其它化学物质(如Ca(OH)2等)作用下，结构发生解体，才能发生反应。粉煤灰中CaO的作用主要是为SiO2与Al2O3的反应提供碱性环境，生成Ca(OH)2。根据粉煤灰中CaO的含量可以分为低钙粉煤灰(小于10％)和高钙粉煤灰(大于10％)。
水泥发生水化反应是从水泥颗粒的表面开始的，水泥颗粒的比表面积越大，水化反应越快，形成强度也越快。水泥的水化作用包括化合物溶解于水、结合水的分子产生水化物和产生的水化物从溶液中沉淀出来三个阶段。当水泥与水混合后，水泥中的化合物立即开始水化，使水泥浆硬化。三钙硅酸盐与二钙硅酸盐的水化过程是相同的，均生成生成水化硅酸钙xCaO·SiO2·yH2O(C-S-H凝胶)和氢氧化钙。但三钙硅酸盐比二钙硅酸盐的活性大得多，三钙硅酸盐首先起水化作用，7～21d早期强度是由三钙硅酸盐的水化作用得到的。
三钙硅酸盐水化时产生的游离氢氧化钙会对充填体产生削弱作用,但由于其他化合物的存在(如各种火山灰物料)并与之化合后,排除了游离氧氧化钙的削弱效应并产生新的胶结材料。水化过程中,水化物沉淀并富集到一起形成胶结体,多余的水析出后硬化。
因此，基于风积沙和粉煤灰的广泛来源及其基本性质，急需一种能将风积沙、粉煤灰“变废为宝”的利用方式。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中的不足，提供一种充填保水采煤填料及其应用，将风积沙、粉煤灰进行合理应用。
为实现上述目的，本发明公开了如下技术方案：
一种充填保水采煤填料，以重量份数计，包括以下组分：
600～660份风积沙、560～640份粉煤灰、260～290份水泥和 300～400份水。
进一步的，以重量份数计，包括以下组分：
风积沙630份，粉煤灰600份，水泥270份，水350份。
进一步的，以重量份数计，还包括膨胀剂。
进一步的，所述膨胀剂为硫铝酸钙膨胀剂、氧化钙膨胀剂或者氧化钙-硫铝酸钙复合膨胀剂。
进一步的，所述膨胀剂110～150份。
进一步的，以重量份数计，所述膨胀剂130份。
本发明还公开一种如上任意一项所述充填保水采煤填料在充填保水采煤领域的应用。
本发明公开的一种充填保水采煤填料及其应用，具有以下有益效果：
本发明将充填料浆确定为按一定比例的风积砂、粉煤灰、水泥加水制成质量浓度为60％～70％的膏体，通过管道泵送至充填采场。保证了膏体强度可以满足煤矿现场工业性试验对充填体强度的需求。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的核心是提供一种充填保水采煤填料及其应用，将风积沙、粉煤灰进行合理应用。
实施例1
一种充填保水采煤填料，以重量份数计，包括以下组分：
600份风积沙、560份粉煤灰、260份水泥和300份水。
实施例2
一种充填保水采煤填料，以重量份数计，包括以下组分：
660份风积沙、640份粉煤灰、290份水泥和400份水。
实施例3
一种充填保水采煤填料，以重量份数计，包括以下组分：
风积沙630份，粉煤灰600份，水泥270份，水350份。
实施例4
本实施例中，在实施例1的基础上，以重量份数计，还包括110 份膨胀剂。该膨胀剂份数也适用于实施例2、3。
实施例5
本实施例中，在实施例1的基础上，以重量份数计，还包括150 份膨胀剂。该膨胀剂份数也适用于实施例2、3。
实施例6
本实施例中，在实施例1的基础上，以重量份数计，还包括130 份膨胀剂。该膨胀剂份数也适用于实施例2、3。
本发明还公开一种如上任意一项所述充填保水采煤填料在充填保水采煤领域的应用。
为验证填料的结构强度，现制作试块并进行实验。
表1 实验情况
(一)第一次试验
(1)试验过程
本次试验于2017年2月7日15时试块制备完成，2月8日15 时拆模，并将试块放入恒温培养箱养护。材料用量为风积沙12.6kg，粉煤灰12.04kg(湿)，水泥2.7kg，水9kg。
(2)试验结果
试块经过7天养护，2月15日进行抗压强度试验，共选取3个试件进行了试验，其中0215-1试块的高×长×宽＝96.37×100.74×101.50(mm)，0215-2试块的高×长×宽＝96.88×101.24×101.62(mm)，0215-3试块的高×长×宽＝94.91×99.73×101.35(mm)。试块的单轴抗压强度分别为0.877MPa、 0.951MPa、0.853MPa，平均为0.894MPa。
试块经过14天养护，2月22日进行抗压强度试验，共选取3个试件进行了试验，其中0222-1试块的高×长×宽＝98.23×102.85×100.41(mm)，0222-2试块的高×长×宽＝98.24×101.38×101.12(mm)，0222-3试块的高×长×宽＝97.96×100.73×100.25(mm)。试块的单轴抗压强度分别为1.785MPa、 1.787MPa、1.863MPa，平均为1.812MPa。
(二)第二次试验
(1)试验过程
本次试验于2月22日17时完成试块制备，2月23日16时拆模，并将试块放入恒温培养箱养护。采用的配方为风积沙630，粉煤灰 602，水泥135，水350，材料用量为风积沙12.6kg，粉煤灰12.04kg，水泥2.7kg，水7kg。
(2)试验结果
试块经过14天养护，3月9日进行抗压强度试验，共选取3个试件进行了试验，其中0309-1试块的高×长×宽＝98.21×100.16×100.57(mm)，0309-2试块的高×长×宽＝95.77×99.47×101.54(mm)，0309-3试块的高×长×宽＝93.73×103.23×101.54(mm)。试块的单轴抗压强度分别为1.573MPa、 1.616MPa、1.376MPa，平均为1.522MPa。
试块经过28天养护，3月23日进行抗压强度试验，共选取3个试件进行了试验，其中0323-1试块的高×长×宽＝97.35×107.22×101.70(mm)，0323-2试块的高×长×宽＝96.70×101.40×102.80(mm)，0323-3试块的高×长×宽＝99.45×101.57×102.85(mm)。试块的单轴抗压强度分别为2.195MPa、 1.988MPa、1.708MPa，平均为1.964MPa。
(三)第三次试验
(1)试验过程
本次试验于3月22日16时完成试块制备，3月23日17时拆模，并将试块放入恒温培养箱养护。采用的配方为风积沙630，粉煤灰 511，水泥135，水3.5；材料用量为风积沙12.6kg，粉煤灰10.22kg，水泥2.7kg，水7kg。按同一配方于4月1日14时装第二组试块，4 月2日12时拆模。
(2)试验结果
第一组试块经过7天养护，3月30日进行抗压强度试验，共选取3个试件进行了试验，其中0330-1试块的高×长×宽＝94.67×100.52×101.59(mm)，0330-2试块的高×长×宽＝96.36×99.72×101.12(mm)，0330-3试块的高×长×宽＝96.14×101.64×102.15(mm)。试块的单轴抗压强度分别为1.169MPa、 1.013MPa、1.104MPa，平均为1.095MPa。
第二组试块经过3天养护，4月5日进行抗压强度试验，共选取 3个试件进行了试验，其中0405-1试块的高×长×宽＝98.92×98.77×102.05(mm)，0405-2试块的高×长×宽＝97.86×101.12×101.64(mm)，0330-3试块的高×长×宽＝97.29×101.80×108.24(mm)。试块的单轴抗压强度分别为0.544MPa、 0.492MPa、0.542MPa，平均为0.526MPa。
第一组试块经过14天养护，4月6日进行抗压强度试验，共选取3个试件进行了试验，其中0406-1试块的高×长×宽＝98.68×101.73×105.52(mm)，0406-2试块的高×长×宽＝95.98×93.89×101.70(mm)，0406-3试块的高×长×宽＝96.31×101.60×100.94(mm)。试块的单轴抗压强度分别为1.978MPa、 2.026MPa、2.02MPa，平均为2.01MPa。
第一组试块经过28天养护，4月20日进行抗压强度试验，共选取3个试件进行了试验，其中0420-1试块的高×长×宽＝96.30×101.59×103.24(mm)，0420-2试块的高×长×宽＝97.19×93.43×101.66(mm)，0420-3试块的高×长×宽＝97.60×97.96×101.54(mm)。试块的单轴抗压强度分别为2.382MPa、 2.108MPa、2.374MPa，平均为2.29MPa。
(四)第四次试验
(1)试验过程
本次试验于4月27日11时完成试块制备，4月28日12时拆模，并将试块放入恒温培养箱养护。采用的配方为风积沙630，粉煤灰 586，水泥135，水3.5。材料用量为风积沙12.6kg，粉煤灰11.72kg，水泥2.7kg，水7kg。
(2)试验结果
试块经过7天养护，5月5日进行抗压强度试验，共选取3个试件进行了试验，其中0505-1试块的高×长×宽＝94.68×98.72×101.60 (mm)，0505-2试块的高×长×宽＝96.74×99.68×101.34(mm)，0505-3 试块的高×长×宽＝93.79×101.99×99.89(mm)。试块的单轴抗压强度分别为1.013MPa、0.930MPa、0.994MPa，平均为0.979MPa。
试块经过13天养护，5月11日进行抗压强度试验，共选取3个试件进行了试验，其中0511-1试块的高×长×宽＝96.30×101.70×101.52(mm)，0511-2试块的高×长×宽＝96.30×101.90×101.30(mm)，0511-3试块的高×长×宽＝94.38×101.34×95.25(mm)。试块的单轴抗压强度分别为1.629MPa、 1.683MPa、1.757MPa，平均为1.690MPa。
(五)第五次试验
(1)试验过程
本次试验于2017年5月16日10时完成试块制备，5月17日12 时拆模，并将试块放入恒温培养箱养护。采用的配方为风积沙630，粉煤灰600，水泥270，水350。材料用量为风积沙12.6kg，粉煤灰 12kg，水泥5.4kg，水7kg。
(2)试验结果
试块经过3天养护，5月20日进行抗压强度试验，共选取3个试件进行了试验，其中0520-1试块的高×长×宽＝95.73×102.31×104.75(mm)，0520-2试块的高×长×宽＝95.78×101.69×105.81(mm)，0520-3试块的高×长×宽＝96.35×102.46×106.16(mm)。试块的单轴抗压强度分别为2.104MPa、 1.992MPa、1.967MPa，平均为2.021MPa。
试块经过7天养护，5月24日进行抗压强度试验，共选取3个试件进行了试验，其中0524-1试块的高×长×宽＝84.51×100.17×100.74(mm)，0524-2试块的高×长×宽＝96.12×100.25×99.984(mm)，0524-3试块的高×长×宽＝88.6×100.76×100.04(mm)。试块的单轴抗压强度分别为3.792MPa、 3.852MPa、3.173MPa，平均为3.605MPa。
试块经过14天养护，5月31日进行抗压强度试验，共选取3 个试件进行了试验，其中0531-1试块的高×长×宽＝97.06×101.73×105.27(mm)，0531-2试块的高×长×宽＝98.01×101.30×102.21(mm)，0524-3试块的高×长×宽＝96.46×97.83×101.52(mm)。试块的单轴抗压强度分别为6.556MPa、 6.220MPa、6.483MPa，平均为6.420MPa。
试验结果分析
试验结果
(1)第一次实验
配方——风积沙：粉煤灰：水泥：水＝630:602:135:450
实验结果见表2。
表2 第一次实验结果表
(2)第二次实验
配方——风积沙：粉煤灰：水泥：水＝630:602:135:350
实验结果见表3。
表3 第二次实验结果表
(3)第三次实验
配方——风积沙：粉煤灰：水泥：水＝630:511:135:350
实验结果见表4。
表4 第三次实验结果表
(4)第四次实验
配方——风积沙：粉煤灰：水泥：水＝630:586:135:350，
实验结果见表5。
表5 第四次实验结果表
(5)第五次实验
配方——风积沙：粉煤灰：水泥：水＝630:600:270:350，实验结果见表6。
表6 第五次实验结果表
结果分析
在实验室的五次试验中，试块养护时间为3d的同期试块的平均单轴抗压强度最大为实验五的2.021MPa，最小为实验三的0.526MPa；试块养护时间为7d的同期试块的平均单轴抗压强度最大为实验五的 3.605MPa，最小为实验一的0.894MPa；试块养护时间为14d的同期试块的平均单轴抗压强度最大为实验五的6.420MPa，最小为实验二的1.522MPa；试块养护时间为28d的同期试块的平均单轴抗压强度最大为实验三的2.29MPa，最小为实验二的1.964MPa，实验五在养护时间为3d、7d及14d的单轴抗压强度最大，目前实验五还未进行28d的实验，根据前人研究的充填材料试块的基本力学性能规律推断，实验五28d的试块单轴抗压强度应大于14d的6.420MPa。
综上，本发明不同于简单的配比搭配，而是采用将充填料浆确定为按一定比例的风积砂、粉煤灰、水泥加水制成质量浓度为60％～70％的膏体，通过管道泵送至充填采场。保证了膏体强度可以满足煤矿现场工业性试验对充填体强度的需求。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，而非对其限制；应当指出，尽管参照上述各实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，其依然可以对上述各实施例所记载的技术方案进行修改，或对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改和替换，并不使相应的技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (7)

1.一种充填保水采煤填料，其特征在于，以重量份数计，包括以下组分：
600～660份风积沙、560～640份粉煤灰、260～290份水泥和300～400份水。
2.根据权利要求1所述的一种充填保水采煤填料，其特征在于，以重量份数计，包括以下组分：
风积沙630份，粉煤灰600份，水泥270份，水350份。
3.根据权利要求1所述的一种充填保水采煤填料，其特征在于，以重量份数计，还包括膨胀剂。
4.根据权利要求3所述的一种充填保水采煤填料，其特征在于，所述膨胀剂为硫铝酸钙膨胀剂、氧化钙膨胀剂或者氧化钙-硫铝酸钙复合膨胀剂。
5.根据权利要求4所述的一种充填保水采煤填料，其特征在于，所述膨胀剂110～150份。
6.根据权利要求5所述的一种充填保水采煤填料，其特征在于，以重量份数计，所述膨胀剂130份。
7.一种权利要求1-6任意一项所述充填保水采煤填料在充填保水采煤领域的应用。
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