第２５卷第４期 ２０１５年７月 黑龙江科技大学学报 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｈｅｉｌｏｎｇｊｉａｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｖｏ１．２５ Ｎｏ．４ Ｊｕｌｙ ２０１５ 粉煤灰基胶结充填材料基本性能的实验研究 陈维新， 李凤义 （黑龙江科技大学矿业研究院，哈尔滨１５００２２） 摘要：掌握粉煤灰基胶结充填材料的基本性能有利于其合理应用。以水、粉煤灰为主要原 料，制备粉煤灰基胶结充填材料，通过实验分析材料抗压强度、凝结时间、流动性及显微结构。结果 表明：粉煤灰基胶结充填材料具有速凝、早强、流动性好的性能。充填体高度越高，充填体顶、底部 的抗压强度及凝结时间差异越大；灰浆和成浆的流动性与粉煤灰的活化时间密切相关；材料中钙矾 石结构与石膏和石灰用量有关。袋式、挡板式充填开采工业试验结果证实，该材料是一种性能良好 的采空区充填材料。 关键词：粉煤灰基胶结充填材料；抗压强度；流动性；微观结构；采空区充填 ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．２０９５—７２６２．２０１５．０４．００６ 中图分类号：ＴＤ８２３．７ 文章编号：２０９５—７２６２（２０１５）０４—０３７５—０６ 文献标志码：Ａ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｂａｓｉｃ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｆｌｙ－－ａｓｈ－－ｂａｓｅｄ ｃｅｍｅｎｔ ｆｉｌｌｉｎｇ ｍａｔｅｒｉａｌ ＣＨＥＮ Ｗｅｉｘｉｎ，ＬＩ Ｆｅｎｇｙｉ （Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｍｉｎｉｎｇ Ｒｅｓｅａｒｃｈ，Ｈｅｉｌｏｎｇｊｉａｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈａｒｂｉｎ １５００２２，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｄｅｓｃｒｉｂｅｓ ａ ｓｔｕｄｙ ｂａｓｅｄ ｏｎ ａ ｐｒｅｖａｉｌｉｎｇ ｎｏｔｉｏｎ ｔｈａｔ ｂｅｔｔｅｒ ｋｎｏｗｌｅｄｇｅ ｏｆ ｔｈｅ ｂａｓ— ｉｃ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｆｌｙ ａｓｈ－ｂａｓｅｄ ｃｅｍｅｎｔ ｆｉｌｌｉｎｇ ｍａｔｅｒｉａｌ ｉｓ ｂｅｎｅｆｉｃｉａｌ ｆｏｒ ｉｔｓ ｒａｔｉｏｎａｌ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ．Ｔｈｉｓ ｓｔｕｄｙ ｉｓ ｆｏｃｕｓｅｄ ｏｎ ｐｒｅｐａｒｉｎｇ ｆｌｙ ａｓｈ・ｂａｓｅｄ ｃｅｍｅｎｔ ｆｉｌｌｉｎｇ ｍａｔｅｒｉａｌ ｕｓｉｎｇ ｗａｔｅｒ，ｆｌｙ ａｓｈ，ｓｕｌｐｈｏａｌｕｍｉｎａｔｅ ａｅ— ｍｅｎｔ，ｌｉｍｅ ａｎｄ ｇｙｐｓｕｍ ａｓ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｒａｗ ｍａｔｅｒｉａｌ ａｎｄ ａｎａｌｙｚｉｎｇ ｔｈｅ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ ｓｔｒｅｎｇｔｈ，ｓｅｔｔｉｎｇ ｔｉｍｅ， ｌｕｉｄｉｔｙ ａｎｄ ｍｉｃｒｏ—ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｔｅｓｔｓ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｆｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｆｌｙ ａｓｈ—ｂａｓｅｄ ｃｅｍｅｎｔ ｆｉｌｌｉｎｇ ｍａ— ｔｅｒｉａｌ ｅｘｈｉｂｉｔｓ ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｑｕｉｃｋ—ｓｅｔｔｉｎｇ，ｅａｒｌｙ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ａｎｄ ｇｏｏｄ ｌｆｕｉｄｉｔｙ；ｔｈｅ ｈｉｇｈｅｒ ｆｉｌｌｉｎｇ ｈｅｉｇｈｔ ｍｅａｎｓ ｔｈｅ ｇｒｅａｔｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｔｏｐ ａｎｄ ｂｏｔｔｏｍ ｏｆ ｆｉｌｌｉｎｇ ｂｏｄｙ ｉｎ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ａｎｄ ｓｅｔｔｉｎｇ ｔｉｍｅ；ｔｈｅ ｆｌｕｉｄｉｔｙ ｏｆ ｍｏｒｔａｒ ａｎｄ ｓｌｕｒｒｙ ｉｓ ｃｌｏｓｅｌｙ ｒｅｌａｔｅｄ ｔｏ ａｃｔｉｖａｔｉｏｎ ｔｉｍｅ ｏｆ ｔｈｅ ｆｌｙ ａｓｈ；ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｅｔｔｒｉｎｇｉｔｅ ｉｓ ｌｉｎｋｅｄ ｔｏ ｔｈｅ ｐｉａｓｔｅｒ ｏｒ ｌｉｍｅ ｃｏｎｔｅｎｔ ｉｎ ｔｈｅ ｍａｔｅｒｉａ１．Ｔｈｅ ｂａｇ ａｎｄ ａｐｒｏｎ ｆｉｌｌｉｎｇ ｍｉｎｉｎｇ ｉｎｄｕｓｔｒｙ ｔｅｓｔ ｐｒｏｖｅ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｍａｔｅｒｉａｌ ｉｓ ａ ｇｏａｆ ｆｉｌｌｉｎｇ ｍａｔｅｒｉａｌ ｏｆ ｂｅｔｔｅｒ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ａｓｈ－ｂａｓｅｄ ｃｅｍｅｎｔ ｆｉｌｌｉｎｇ ｍａｔｅｒｉａｌｓ；ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ；ｆｌｕｉｄｉｔｙ；ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｅｔｕｒｅ；ｇｏａｌ ｉｌｌｉｎｇ ｆ收稿日期：２０１５—０７—０９ 基金项目：黑龙江省发展高新技术产业（非信息产业）专项资金项目（ＦＷ１２ＡＯ１８） 第一作者简介：陈维新（１９８４一），男，山西省忻州人，助教，硕士，研究方向：充填采煤，Ｅ－ｍａｉｌ：２８７７６０４４８＠ｑｑ．ｅｏｍ。 ３７６ 黑龙江科技大学学报 第２５卷 充填开采是煤矿迈向“无害化”、“安全化”生产 的有效途径，但目前无法实现推广的主要原因是充 间，实验结果如图２、３所示。 由图２可知，粉煤灰活化４ ｈ是材料抗压强度 填材料成本过高。而边远地区电厂产生的粉煤灰供 大于求，导致大量粉煤灰废弃在野外，废弃粉煤灰给 环境带来很大的压力 Ｊ。黑龙江科技大学矿业研 的阈值，活化时间在４ ｈ以下的各养护龄期材料的 抗压强度远远低于活化４ ｈ以上的，且材料养护时 间越长，活化时间阈值体现越明显，如粉煤灰活化 ４ ｈ、养护龄期２４ ｈ材料的抗压强度是活化３ ｈ的 １．１３倍。由此可见，活化时间保持在４～８ ｈ即可充 究院研发的粉煤灰基胶结充填材料，粉煤灰占固体 料的８０％～８９％，水固比接近１：１，既解决了废弃粉 煤灰的环境污染问题，又解决了充填材料造价普遍 较高的问题。对于矿用采空区充填材料来说，基本 分发挥活化剂对粉煤灰的激发效果。由图３可见， 材料各龄期的凝结时间随着活化时间增加逐渐缩 性能一般包括材料浆体的黏度、凝结时间（文中研 究的粉煤灰基胶结充填材料属于快凝、早强型胶结 材料，其初凝时间与终凝时间很接近，故一般仅考查 其初凝时间，并统称为凝结时间＿３ ）、流动性、充填 固化后的抗压强度、固化后微观结构等。这些性能 是充填系统及工艺设计的基本参数。掌握充填材料 的基本性能对实践应用具有重要意义。笔者通过实 验室实验，分析粉煤灰基胶结材料基本性能，并通过 井下工业实验加以验证。 １ 粉煤灰基胶结充填材料制备 制备粉煤灰基胶结充填材料时先将水、粉煤灰、 活化剂ＨＨＪ按配方配比计量后输送到活化搅拌装 置中搅拌均匀，陈放４～８ ｈ后得到主要固体料—— 粉煤灰的灰浆。灰浆流动性良好，且基本不会凝固。 在灰浆内加入硫铝酸盐水泥、石灰、石膏、ＫＹＹ—ＺＨ 系列早强缓凝剂、ＫＹＹ—Ｓ系列速凝剂后，搅拌１０— １５ ｒａｉｎ就制得粉煤灰基胶结充填成浆 Ｊ。具 备工艺如图１所示。 图１粉煤灰基胶结充填材料制备工艺 Ｆｉｇ．１ Ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｌｆｙ ａｓｈ－ｂａｓｅｄ ｃｅｍｅｎｔ ｆｉｌｌｉｎｇ ｍａｔｅｒｉａｌ ２ 粉煤灰基胶结充填材料基本性能 ２．１ 材料的抗压强度与凝结时间 ２．１．１ 抗压强度与凝结时间 在粉煤灰活化时间（ｔ ）０～８ ｈ、活化温度２０℃ 的条件下，制得胶结充填材料，成浆后一部分倒人试 模，标准养护后测定抗压强度，一部分测定其凝结时 短，同样，粉煤灰活化４ ｈ为材料对应凝结时间的阈 值，活化时问低于４ ｈ材料的凝结时间较长，活化时 问高于４ ｈ材料的凝结时间较短。由此可见，材料 的凝结时间与抗压强度有一定的关联，凝结时间越 短抗压强度越高。 图２粉煤灰活化时间对材料抗压强度的影响 Ｆｉｇ．２ Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｆｌｙ ａｓｈ ａｃｔｉｖａｔｉｏｎ ｔｉｍｅ ｆｏｒ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｏｆ ｍａｔｅｒｉａｌ １２０ １１０ ．量 １００ ９０ ８０ Ｏ ２ ４ ６ ／ｈ 图３粉煤灰不同活化时间对材料凝结时间的影响 Ｆｉｇ．３ Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｄｉｆｅｒｅｎｔ ｆｌｙ ａｓｈ ａｃｔｉｖａｔｉｏｎ ｔｉｍｅ ｆｏｒ ｉｎｉｔｉａｌ ｓｅｔｔｉｎｇ ｔｉｍｅ ｃｕｒｖｅ ２．１．２ 充填体高度对抗压强度及凝结时间的影响 充填体高度对材料抗压强度及凝结时间的影 响，实质是材料水化速率小于固体颗粒在水中的沉 积速率，从而导致充填体上下部存在一定性能差 异 。在实验室内采用模板支设高度为１、３、５、 ７ ｍ，宽度和长度均为０．５ ｍ的四个封闭空间，将成 浆注入后在常温下养护，然后测量每个充填体顶、底 第４期 陈维新，等：粉煤灰基胶结充填材料基本性能的实验研究 ３７７ 部的凝结时间后，再在凝固体顶、底部分别取出两个 方形块放入标准养护箱中，龄期为８ ｈ时，由压力机 得到单轴抗压强度，如表１所示。由表１可知，充填 高度越高充填体顶、底部强度及凝结时间差异就越 大。这是因为粉煤灰基胶结充填材料在成浆后开始 水化，被输送到充填地点后仍在不断水化，这时料浆 处于静止状态，一些未活化的粉煤灰颗粒及未水化 的水泥、石灰等胶凝材料的颗粒开始向下沉积，直到 料浆失去流动性，因此，底部比顶部的胶凝材料更 多，充填体底部的凝结时间比顶部短，在各水化龄 期，充填体底部的强度要比顶部的更大一些。 在现场施工中，如果煤层较厚，充填体较高，可 采用分层充填来减少一次充填体的高度 Ｊ。 表１ 充填体高度对材料抗压强度及凝结时间的影响 Ｔａｂｌｅ １ Ａｆｆｅｃｔ ｏｆ ｆｉｌｌｉｎｇ ｈｅｉｇｈｔ ｆｏｒ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ａｎｄ ｓｅｔｔｉｎｇ ｔｉｍｅ ｏｆｍａｔｅｒｉａｌ ２．２材料浆体的流动性 ２．２．１ 灰浆 采用ＳＮＢ一２型数字式旋转黏度计对粉煤灰不 同活化时间的灰浆进行测量 。每次测量间隔 ０．５ ｈ，测量前需重新搅拌被测灰浆，待静止时马上 进行黏度测量。结果如图４所示。由图４可知，活 化前２．０～４．５ ｈ黏度变化不大，之后黏度显著增 大。整体来看，粉煤灰活化后的灰浆均属低黏度。 ６００ ５００ ４００ ３００ ２００ ２ ３ ４ ５ ６ ７ ８ ／ｈ 图４粉煤灰不同活化时间对应灰浆的表观黏度 Ｆｉｇ．４ Ｄｉｆｅｒｅｎｔ ｆｌｙ ａｓｈ ａｃｔｉｖａｔｉｏｎ ｔｉｍｅ ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ｔｏ ａｐｐａｒｅｎｔ ｖｉｓｃｏｓｉｔｙ ｏｆ ｆｌｙ ａｓｈ ｐｕｌｐ 采用Ｋｉｎｅｘｕｓ超级旋转流变仪 测量粉煤灰 活化时间为２、４、８ ｈ灰浆的流动曲线，如图５所 示。分析可知，在活化时间为２ ｈ时，浆体的流动 性基本接近牛顿模型，但活化时间为４ ｈ和８ ｈ 时，初始浆体的流动性向非牛顿模型中的假塑性 模型贴近。 剪切速率／ｓ 图５粉煤灰不同活化时间对应灰浆的流变 Ｆｉｇ．５ Ｄｉｆｅｒｅｎｔ ｎｙ ａｓｈ ａｃｔｉｖａｔｉｏｎ ｔｉｍｅ ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ｔｏ ｒｈｅｏｇｒａｍ ｏｆ ｆｌｙ ａｓｈ ｐｕｌｐ ２．２．２成浆 在灰浆中加入其他原材料，搅拌过程中材料即 开始水化，其流动性随着时间推移发生较为显著的 变化。 粉煤灰活化２、４、８ ｈ制得的成浆随放置时间 （ｔ ）变化的黏度如图６所示。由图６可知，粉煤灰 活化２ ｈ制得的成浆黏度在６０ ｍｉｎ内，增加不明显， 此后迅速攀升，至１００ ｍｉｎ时接近２ ０３０ ｍＰａ・Ｓ， １１０ ｍｉｎ时黏度计无法测出黏度，说明成浆此时已 失去流动性。粉煤灰活化４ ｈ时的成浆黏度在 ５０ ｍｉｎ内变化不明显，此后增长明显，至９０ ｍｉｎ时达 到１ ６００ ｍＰａ・Ｓ，１００ ｍｉｎ时黏度无法测出。粉煤灰 活化８ ｈ时的成浆黏度变化规律与活化４ ｈ较类似， 均是５０ ｍｉｎ内黏度变化不明显，但之后黏度增长率 明显比活化４ ｈ大，９０ ｍｉｎ时成浆失去流动性。总 结以上规律可知，粉煤灰的活化时间是影响成浆黏 度的主要因素。 １ ６００ １ ４００ １ ２００ １ ０００ ８００ ６００ ４００ ｔｆ／ｍｉｎ 图６粉煤灰不同活化时间对应成浆的表观黏度 Ｆｉｇ．６ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｆｌｙ ａｓｈ ａｃｔｉｖａｔｉｏｎ ｔｉｍｅ ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ｔｏ ａｐｐａｒｅｎｔ ｖｉｓｃｏｓｉｔｙ ｏｆ ｆｉｎａｌ ｐｕｌｐ 采用Ｋｉｎｅｘｕｓ超级旋转流变仪测量粉煤灰活化 ３８０ 黑龙江科技大学学报 第２５卷 料凝结时间内即有自承能力，并可将模板拆掉，接顶 率超过了９５％，如图ｌＯａ所示。挡墙式充填完毕 后，平均高为１．５ ｍ的充填体接顶良好，如图ｌＯｂ所 示，拆模时间较材料实验室测得的凝结时间缩短 １０ ｍｉｎ，这可能是由于充填体积较大，水化热累积增 加了材料的水化速度所致。两类充填体均在一个工 作班内拆模，且充填３ ｄ后顶板均无破断，说明该材 料具有快凝、早强的特性。再经长期跟踪监测，两类 工业实验结果表明，粉煤灰基胶结充填材料具备良 好的应用前景。 参考文献： ［１］ 王文斌．粉煤灰的活性激发与大掺量粉煤灰砼的试验研究 ［Ｄ］．西安：西北工业大学，２００５． ［２］ 陈维新，李凤义，胡［３］冯光明，丁刚，等．粉煤灰基胶结充填材料早强剂 实验研究［Ｊ］．黑龙江科技大学学报，２０１５，２５（３）：２６７—２６８． 玉．超高水材料充填开采技术研究及应用［Ｍ］． 充填方法均达到地表无明显沉陷的效果。 ４ 结 论 （１）粉煤灰基胶结充填材料具有快凝、早强的 特点。粉煤灰活化时间为４～８ ｈ时，材料的抗压强 度较高，但随着活化时间的增加，材料凝结时间呈缩 短趋势。充填体高度越高，充填体顶、底部的抗压强 度及凝结时间差异越大。 （２）灰浆和成浆均具有良好的流动性，且流动 性均与粉煤灰的活化时间密切相关。粉煤灰活化４ ｈ和８ ｈ对应的灰浆及成浆流动性相差不大，但比粉 煤灰活化２ ｈ对应的灰浆及成浆流动性要差。 （３）粉煤灰基胶结材料中钙矾石结构与石膏和 石灰用量有关；随粉煤灰活化时间的增加，材料中的 水化产物不断增加，材料结构也越显致密。 （４）采空区袋式和挡板式两种充填开采方法的 徐州：中国矿业大学出版社，２０１０． ［４］ 陈维新，关显华．粉煤灰基胶结充填采煤技术及应用［Ｊ］．煤 矿现代化，２０１４，１２０（３）：１５一ｌ８． ［５］ 陈维新，付明超，刘世明．粉煤灰基胶结材料袋式条带充填 开采实验［Ｊ］．黑龙江科技大学学报，２０１４，２４（４）： ３６０—３６３． ［６］ 李凤义，陈维新，粉煤灰基胶结充填材料及其制备方法：中 国，ＺＬ 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