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1、 China university of mining and technology 高水充填（论文） 学院名称孙越崎学院专业名称采矿工程学生姓名刘瑞明学 号01090190任课教师许家林二一二年十月（超）高水充填工艺系统和应用研究刘瑞明（中国矿业大学 孙越崎学院，江苏 徐州）摘要：我国目前“三下”压煤问题比较严重，充填开采是解决“三下”压煤的根本途径，其中（超）高水充填相比其他充填方法它特别的优势。本文详细介绍了（超）高水材料的组分、基本性能及在充填时的水化反应，并且重点叙述（超）高水充填工艺系统流程和充填方法，总结出（超）高水充填的意义，得出（超）高水充填将会在以后广泛应用。关键词：“三下
2、”压煤 （超）高水材料 （超）高水充填引言 随着我国经济的持续发展，煤炭资源的不断开采，“三下”(建筑物下、铁路下、水体下)压煤量占煤炭资源总量的比例越来越大。据对国有重点煤矿的不完全统计，全国压煤量约为137.9亿吨，其中建筑物下压煤为87.亿t，村庄下压煤又占建筑物下压煤的60%。随着社会经济发展，村镇规模不断扩大，新矿区和新井田的建设，实际压煤量远高于这一数字。主要产煤省如山东、江苏、安徽、河南、河北等省，多数矿区（井）地处平原，人口密度大，村庄密集，村庄压煤比重较大，有的矿区或井田村庄压煤量占总储量的70%，有的新疆井田投产（首采面）即遇到村庄下压煤开采问题。 长期以来我国煤矿村庄压煤
3、，主要采用迁村或采用条带开采的方法进行开采，然而迁村法存在搬迁或者成本高、侵占土地、选址困难以及开采后破坏环境等问题，条带开采，采出率很低，而且万吨掘进率（每回采一万吨原煤，所需掘进的巷道数量）很高，以上方法都被煤炭企业所抛弃。为了缓解日益突出的煤炭资源的枯竭与经济发展的矛盾，有效地进行“三下”压煤开采对充分利用地下资源，延长矿井寿命，促进煤炭工业的健康发展具有重要意义。采空区充填逐渐成为解放“三下”压煤的主要方法之一，按充填材料区分，有水砂充填、矸石充填、膏体充填和高水充填。其中高水充填具有充填率比较高、初期投资低等优点，逐渐成为很多煤矿充填开采的首选。 从1986年开始，我国就开始进行高水
4、充填材料、充填技术的研究，并在1989年由中国矿业大学北京研究生部经过几年的努力，研制成功高水速凝固化材料，迅速应用于井下充填。在90年代初，高水固结充填采矿方法首次用于我国的黄金矿山试验成功，引起国内外采矿界的广泛关注，并在煤矿、金矿和非金属矿等充填开采领域内迅速应用。1、（超）高水充填材料组分超高水材料是相对于高水材料而言的，超高球材料的水灰比（拌制水泥浆、砂浆、混凝土时所用的水和水泥的重量之比）可达11：1，而普通高水材料水灰比为 2.5：1左右，两者用水量相差很大。目前按照标准，将水体积大于95的材料界定为超高水材料，而低于95%的材料界定为普通高水材料。 1.1高水材料组分高水材料由
5、甲、乙两种固体粉料组成，甲料由铝酸盐或硫铝酸盐配以多种起缓凝和调整作用的外加剂组成；乙料主要 由石膏、石灰、粘土配 以促凝剂组成。甲、乙料分别加人一定量的水制成灰浆，按 I：I的比例混合后，30min内即可凝结成固体。以中国煤炭科学总院研究的高水充填材料为例，其组分如下：甲组分包括下述成分：(wt%表示重量百分比)硫铝酸盐水泥熟料65wt%90wt% 铝酸盐水泥熟料5wt%30wt%缓凝剂0.5wt%1.5 wt% 第一悬浮剂2.5wt%6wt%上述铝酸盐水泥熟料为比表面积（单位质量的固体具有的总面积，可用气体吸附法或者溶液吸附法测得）为400600/kg的粉末，硫铝酸盐水泥熟料、缓凝剂和悬浮
6、剂为比表面积为600800/kg的粉末。缓凝剂为硼酸、硼砂、酒石酸、柠檬酸中的一种或其中几种的混合物。第一悬浮剂为膨润土、凹凸棒土、海泡石、白炭黑、纤维素醚、淀粉醚中的一种或者其中几种的混合物。乙组分包括下成分：硬石膏50wt%70 wt% 石灰15wt%25wt% 复配添加剂14wt%30wt% 上述硬石膏、石灰和复配添加剂为比表面积为350600600/kg的粉末。复配添加剂包括第二悬浮剂、无机盐和有机化合物：第二悬浮剂：4wt%12wt% 无机盐6wt%24wt% 无机化合物0wt%2wt%上述第二悬浮剂为膨润土、凹凸棒土、海泡石、白炭黑、纤维素醚、淀粉醚中的一种或者其中几种的混合物。无
7、机盐中的阴离子为、 、 、 、 、 、 中的一种或者几种的混合物，阳离子为 、 、 、 、 中的一种或者几种混合物。有机物化合物为三乙醇安、三乙丙醇胺、二乙醇胺中的一种或者几种混合物。使用步骤如下：（1） 向甲组分加入水，制成甲组分单桨，水的重量为甲组分重量的22.4倍;（2） 向乙组分加入水，制成乙组分单桨，水的重量为乙组分重量的22.4倍;（3） 将甲组分单浆和乙组分单浆按照重量比为11.2：1混合，固化即可。 在90年代，我国高校利用磁化水拌制高水充填材料，通过均匀设计方法分析磁化参数对高水充填材料凝结体强度的影响，并对磁化参数进行优化，利用此优化参数处理高水充填材料浆体，通过对比实验得
8、出，磁化水拌制高水充填材料可以明显提高其胶结体抗压强度35%左右。1.2超高水材料组分超高水材料是由中国矿业大学冯光明教授经十余年研究而发明的一种采空区充填材料。该材料能较好的适应 “三下”充填开采的要求，目前处于推广应用阶段 。该材料 由A、B料和AA与BB辅料构成。A料以多种矿物按一定的比例混合烧制而成，B料以多种矿物按一定的比例混磨而成 ，辅料 AA为复合超缓凝剂，辅料 BB为复合超速凝剂。使用时，A、B料以重量 比1：1使用，水体积可达 9597，用水量超高，初凝时间为0515h，终凝强度0510MPa，且生成的固结体不收缩，也不可压缩，是一种理想的采空区充填材料。详细内容可见冯光明和
9、丁玉所著超高水充填材料及充填开采技术研究与应用一书。生产超高水材料的原料在我国非常丰富且生产工艺简单。超高球材料具有早强快硬、两主料单浆(A 或B浆液)流动性好、初凝时间可调等特点生成的固 结体具有亲水性，在水环境中不收缩不扩散，稳定性良好且体积麻立小，在三向受力状态下有良好的不可压缩性。超高水材料唯一的不足就是抗风化及抗高温 (400“上)性能较差，即该材料币适于在干燥开放 厦高温环境中使用。园此超高水材料在井下潮湿、低温、封闭的采空环境下，是一种理想的“三下”充填材料。2、（超）高水充填材料基本性能及水化反应机理2.1高水材料基本性能 以上述煤炭科学总院研究的高水材料为例，这种材料形成的钙
10、矾石多为针状，密实性提高，含水率可达 86 90，固化体稳定性增强，后期强度也显著提高，弥补了普通高水速凝充填材料存在的缺陷。与普通高水速凝充填材料相比，强度各时段平均提高 50以上。 具有以下四个性能特征： (1)速凝早强特性 新型高水速凝充填材料甲、乙2组份分别加水搅拌后24h不固化，但混合后30min内可初凝。通过外加剂调整后，其性能可大幅度提高。通过复合外加剂调整后，在实验室标准测试条件下，初凝时间为36min，2h抗压强度可达 28MPa，24h抗压强度可达48MPa，7d抗压强度可达 72MPa，28d能达到82MPa以上。若特殊需要，材料强度可配制达 20MPa以上。材料在不同水
11、灰比条件下，单轴抗压强度与时间及水灰比的关系曲线见图1 (2) 抗变形特性 速凝材料在不同水灰比情况下，在各龄期相同承载强度条件下，带锚栓（一种紧固材料）相似材料固结体变形能力与时间及水灰比成正比。不加锚栓时，在材料强度达到极限状态时，纵向变形能力平均可达到 15以上，而横 向变形能力可达到7以上；在有锚栓 (相似材料)情况下，变形能力有所降低，降低约6 28。高水速凝充填材料固结体泊松 比在 3d之 内达 035左右；当超过3d后，泊松比普遍都在045左右。说明高水速凝材料固结体有较好的纵横向变形能力，见图2。 (3)高结晶水特性 新型高水速凝充填材料固化体主要形成钙矾石 (3CaO332)
12、，钙矾石结晶体含水量较高。由于钙矾石结晶能力强，易形成网状或树枝状结构。当材料配比最佳时，形成针状结构的钙矾石，填充在已形成的钙矾石网状结构中。(4) 再胶结与强度再生性当高水速凝充填材料固化体被压裂后，在环境湿度满足要求的条件下，经过一段时间后，可形成再胶结体。高水硬化体具有弹塑性特征，在单轴受力状态下，呈弹性变形，而当外力继续加大，达到屈服极限后，不会立即发生脆性破坏，具有一定的残余强度。此时，如果高水硬化体被再压实，强度随之恢复与增大。2.2高水材料水化反应机理高水充填材料由不稳定的高内能变为比较稳定的低内能的过程是水化。水化过程中，高水充填材料颗粒表面迅速被水包围而溶解，后逐渐凝结成固
13、体。高铝型高水充填材料的水化，主要是铝酸一钙的水化。铝酸一钙由于晶体结构中钙铝 的配位极不规则，水化极快。一般认为，水化反应由于温度的不同会有多种方式。 根据 x线衍射分析，高铝型高水充填材料主要水化反应如下：3（CaO）+3+38= 3CaO332+4Al(OH)经过数据查询得下列化合物的热力学数值： 表1 热力学数值（KJ/mol）根据盖斯定律： H =HCA 3CSH+4HAH一 (3HCA+ 3HCaSO+38HHO) = 16729(kJmo1) 由上述结果可见，H为负值，且其值较大，说明高铝型高水充填材料水化时放出的热量较大。 硫铝型高水充填材料的水化反应如下： 3CaO3A lO
14、CaSO+2CaSO+38HO 3CaOAl03CaSO32HO+4AI(OH) 查表得下列化台物的热力学数值： 表2热力学数值（KJ/mol）根据盖斯定律：H =4HAI(OH)+HCH3CSH (HCAS+ 3HCS+38HHO) = 215.05(kJmo1) 由上述两种类型的甲料计算出H为负值，且其值较大，这说明高铝型高水充填材料水化时放出的热量较大。即反应体系是向外输进较大能量的。体系向外输进能量后，就变 得比较稳定，可形成结实的人工石。 下图是采用量热法测定高铝型和硫铝型高水充填材料的水化反应热 曲线。图3高水充填材料水化反应热曲线图 图中a为硫铝型高水充填材料，b为图中a为硫铝型
15、高水充填材料，b为图中a为硫铝型高水充填材料，b为图a为硫铝型高水充填材料，图中纵坐标表示水化反应时的温度，横坐标表示水化反应的时间。由图可见，在水化反应的同一段时间内，硫铝型比高铝型高水充填材料水化反应的温度要高些，这说明水化反应的速度也快一些。这些测定结果与计算结果是一致的。2.3超高水材料基本性能 根据加入 A 、B 2 种浆体中添加剂的多少可以将初凝时间控制在 8 90 min之内 浆体混合后逐渐凝固并具有强度生成的超高水材料固结体具有不收缩的特点，7 h后其抗压强度可达到最终强度的60% 90% 。在水体积为95% 97 % 时，28 d 后最终强度为 0 .66 1.5 MPa 。图4材料固结体各龄期强度随时间变化曲线图5材料固结体体积应变随时间变化规律表3不同水体积材料实验室凝结时间水体积，%92939495
