王曉東

(中煤科工集團西安研究院有限公司　西安　710077)

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風(fēng)積砂質(zhì)高濃度膠凝充填材料性能與粉煤灰摻量關(guān)系分析*

王曉東

(中煤科工集團西安研究院有限公司西安710077)

充填材料是決定煤炭充填開采效益、效率、效果的最主要因素。為了掌握風(fēng)積砂質(zhì)高濃度膠凝充填材料的性能變化規(guī)律，本文以粉煤灰的質(zhì)量摻入比作為變量，試驗研究和理論分析了粉煤灰對該充填材料性能的影響規(guī)律。結(jié)果表明，粉煤灰的適量添加可以提高充填材料的強度，大摻量導(dǎo)致強度相對降低； 泌水率隨著粉煤灰摻量的增大總體上呈減小趨勢，較大摻量試樣泌水速率相對較低； 分層度隨著粉煤灰摻量的增大線性降低； 凝結(jié)時間隨著粉煤灰摻量增大呈現(xiàn)指數(shù)增大； 坍落度總體上隨粉煤灰摻量的升高而增大，但大摻量會使其出現(xiàn)相對降低。分析認(rèn)為，適量粉煤灰的摻入，使風(fēng)積砂質(zhì)高濃度膠凝充填材料的顆粒粒度、水分分布和水泥分散均勻，而使材料的強度和輸送性能適度改變，但摻量過大會稀釋膠結(jié)料和改變顆粒相對級配而導(dǎo)致性能下降。

粉煤灰采空區(qū)高濃度膠凝充填材料充填開采強度輸送性能

0　引　言

充填開采技術(shù)是一種采場礦壓控制和頂板管理方式，其在金屬礦山應(yīng)用較為廣泛(郭捷等， 2014； 馬鳳山等， 2014)，近年來逐漸被引入煤炭開采領(lǐng)域(繆協(xié)興， 2010)。該技術(shù)可有效抑制采空區(qū)垮落和地面塌陷，保護礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境(郭廣禮等， 2004)、生態(tài)環(huán)境(劉建功， 2011)和人文環(huán)境(謝德瑜， 2011)，并且可以較大程度提高礦產(chǎn)資源的采出率(馬立強等， 2010)和減少礦井常見災(zāi)害(繆協(xié)興等， 2009)。當(dāng)前在煤炭領(lǐng)域，充填開采技術(shù)已是煤炭資源綠色開采和煤炭工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要組成部分(錢鳴高等， 2003)。

充填材料性能是充填開采技術(shù)的重要控制指標(biāo)之一，是決定充填效益、充填效率和充填效果的主要因素。膠凝充填材料是一種復(fù)合的無機材料，其工程性能受多方面因素影響，例如骨料(韓斌等， 2012)、膠結(jié)材料(崔增娣等， 2010)、輔料(王健等， 2010)、添加劑(王新民等， 2004)、質(zhì)量濃度(史俊偉等， 2011)等。在已有的研究成果中，少數(shù)學(xué)者以風(fēng)積砂為骨料，粉煤灰為輔料之一制備濃度區(qū)間為66%～75%的膠凝充填材料，并研究了其強度性能，得出隨著輔料摻量的增加充填材料強度逐漸增大的結(jié)果(孫凱華， 2014)。但充填材料的輸送性能是充填作業(yè)的重要影響因素，當(dāng)前尚未見粉煤灰對風(fēng)積砂質(zhì)膠凝材料輸送性能的系統(tǒng)研究，以及高濃度風(fēng)積砂質(zhì)膠凝材料(濃度大于75%)的強度性能研究。

本文采用風(fēng)積砂作為充填材料的骨料，普通硅酸鹽水泥作為膠結(jié)材料，粉煤灰做輔料，配制風(fēng)積砂質(zhì)高濃度膠凝充填材料，研究粉煤灰對其性能的影響規(guī)律，以期改善充填材料的強度特性和輸送性能，得出較優(yōu)的粉煤灰摻和比例區(qū)間。

1　充填材料基本性能

1.1強度性能

充填材料強度是采煤速率和采場頂板控制效果的直接決定因素，包括早期強度和長期強度。早期強度是指在開采與充填工序交替進行的過程中，充填材料可以自立的強度特性。長期強度是控制采場頂板和上覆巖層變形在一定可控范圍內(nèi)所需的最低強度。對于早期強度的研究成果較多，以半立方拋物線公式(朱志彬等， 2008)應(yīng)用最為廣泛。

(1)

式中，σ為充填材料的強度(MPa)；h為充填高度(m)； α經(jīng)驗系數(shù)，充填高度小于50m時取600。以全采全充的充填開采方式，試算煤層厚度由2m增大至10m時的充填材料強度(表1)。

表1　充填材料強度計算表Table1　The early age strength of backfill material

序號充填高度/m充填材料強度/MPa120.188240.299350.347480.4745100.550

在工程設(shè)計中，一般以充填材料8h抗壓強度來表征早期強度。由表1可以看出，隨著充填高度的增大，充填材料的早期強度要求也不斷升高。

對于長期強度，當(dāng)前沒有較為系統(tǒng)和成熟的強度設(shè)計方法，也有一些學(xué)者對強度計算通用公式進行了研究(黃慶享等， 2011)，如式(2)。

(2)

式中，σc為充填材料強度；K為充填開采充填工作面寬度與間隔工作面寬度的比值，本文取值為2；γ為煤層上覆巖層平均容重；H為煤層埋深；b為充填開采充填工作面寬度；h為煤層厚度。

大多礦井根據(jù)實際情況進行試驗和模擬確定充填材料的長期強度，部分已經(jīng)實施高濃度膠凝材料充填開采或開展了相應(yīng)研究的礦井，其經(jīng)驗可以借鑒(表2)。

表2　充填材料強度統(tǒng)計表Table2　The final strength of backfill material

煤礦強度/MPa埋深/m煤厚/m參考文獻太平煤礦1.4～1.7160～2207.4～9.0趙才智等(2004);周華強等(2004)北宿煤礦1.45400～7000.92林東才等(2013)岱莊煤礦2.6316～4761.8～3.1陳紹杰等(2011);李秀山等(2012)平煤一礦4.2(7d)560～6501.9～2.2田振清等(2013)公格子營煤礦1.82120～15015黃玉誠等(2013)孫村煤礦0.76～1.41379～5691.9～2.3王新民等(2008);莫技(2010)

1.2輸送性能

充填材料的輸送性能是指高濃度膠凝充填材料在管路高壓泵送的過程中穩(wěn)定運行的基本條件，是充填效果的重要影響因素。優(yōu)良的輸送性能是保證充填材料應(yīng)能夠較理想地被輸送到井下的前提條件，在輸送過程中，充填材料的主要性能不能發(fā)生較大改變。充填材料的輸送性能指標(biāo)主要包括，泌水率、凝結(jié)時間、流動度(坍落度)、分層度等。

表3　原材料化學(xué)成分Table3　Chemical composition of raw materials

樣品檢測結(jié)果/%SiO2Al2O3Fe2O3MgOCaONa2OK2OP2O5MnOTiO2燒失量FeOSO3風(fēng)積砂78.1412.350.960.231.223.262.990.020.010.160.800.320.088水泥22.085.593.371.6758.430.390.710.250.250.364.160.021.77粉煤灰53.7527.825.200.836.320.561.370.200.051.151.681.330.67

圖1　原材料顆粒粒度分布Fig. 1　Granularity distribution of raw materialsa.風(fēng)積砂； b.水泥； c.粉煤灰

高濃度膠凝材料高壓輸送應(yīng)符合3方面的要求：(1)物理均勻性，充填材料是一種多粒度顆粒組成的混合材料，輸送過程中顆粒應(yīng)在整個流體中均勻分布，顆粒在運動過程中不在垂直單方向上發(fā)生不可逆的躍遷，即材料不發(fā)生離析。(2)力學(xué)相似性，充填材料需長距離輸送，要求材料保持較好的流態(tài)，從入口到出口作為流體的特性不能發(fā)生較劇烈的改變，即充填材料的屈服剪切應(yīng)力變化幅度不大。(3)化學(xué)穩(wěn)定性，充填材料是通過膠結(jié)料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生的后期強度，因此充填材料在輸送過程中化學(xué)性質(zhì)應(yīng)保持基本穩(wěn)定，化學(xué)反應(yīng)在充填完成后大量發(fā)揮。若滿足上述三方面的條件，充填材料在輸送過程可以保證不堵管和脹管，且在充填后強度正常發(fā)揮。

充填材料的性能要求可綜合為一點，即良好的持水性能。若充填材料持水性較好，則材料均一性、穩(wěn)定性較好，材料不會發(fā)生較嚴(yán)重的離析和劇烈的脫水，保證材料在輸送過程中可保持理想的流態(tài)，在充填完成后均勻發(fā)揮強度特性。

2　試驗材料及設(shè)備

2.1主要試驗材料

本文試驗中所用風(fēng)積砂堆積密度為1.53t·m-3，表觀密度為2.60t·m-3，孔隙率為41.15%，含水率為0.40%，含泥量為1.76%。水泥選用P.O.42.5普通硅酸鹽水泥，密度為3.10t·m-3。粉煤灰選用二級灰，堆積密度為0.92t·m-3，表觀密度為2.22t·m-3， 0.045mm方孔篩篩余量為36.10%，原材料主要化學(xué)成分見表3所示。

采用激光粒度分析儀對原材料顆粒粒度進行分析(圖1)。風(fēng)積砂粒度分布如圖1a所示，分析發(fā)現(xiàn)風(fēng)積砂粒度成分以細(xì)砂(0.25～0.10mm)為主，極細(xì)砂(0.10～0.05mm)次之，中砂(0.25～0.50mm)較少。大于0.50mm和小于0.05mm者含量極少。通過以上分析可以看出天然風(fēng)積砂中細(xì)粒級占比重較大，粗粒級顆粒含量較少，為特細(xì)砂，屬不良級配。

2.2主要試驗設(shè)備及試驗條件

試驗中需對原材料和膠凝材料進行物理化學(xué)指標(biāo)測試，主要的試驗設(shè)備包括液壓萬能試驗機(中國東方WAW-300)、環(huán)境掃描電子顯微鏡(捷克FEI Quanta 400 FEG)、X-射線衍射儀(日本理學(xué)D/MAX2500)、分光光度計(日本島津AA-6800，UV-2401PC)、激光粒度儀(英國馬爾文Mastersizer 2000)等。

在常溫條件下，按試驗方案稱量原材料和水，利用砂漿攪拌機自動攪拌形成均勻的漿液，一部分測定漿液的分層度、泌水率、坍落度及凝結(jié)時間，一部分裝入砂漿試模(70.7mm×70.7mm×70.7mm)，靜止放置24h拆模，轉(zhuǎn)入恒溫恒濕養(yǎng)護箱(溫度20℃，濕度≥95%)，分別在試樣制成3d、7d、14d時取出進行強度及其他試驗。進行細(xì)觀特征觀測試驗的試樣為強度試驗平行樣，在養(yǎng)護14d時取出烘干，取試樣中心部位分割為截面積約1mm2的細(xì)長試條，待試驗前將細(xì)長試條掰開，利用新鮮斷面進行試驗。同一試樣上取樣不少于3個，并且在單個細(xì)觀特征觀測試驗中多次變換焦點，采集不同視域多種分辨率細(xì)觀特征照片。

3　試驗結(jié)果

3.1粉煤灰對強度的影響

在研究粉煤灰對充填材料強度影響時，設(shè)計充填材料的質(zhì)量濃度為83.3%，風(fēng)積砂與水泥質(zhì)量比為7︰1，然后改變材料中的粉煤灰摻入質(zhì)量比例，分別測試其強度特征。

圖2　粉煤灰用量與充填材料強度關(guān)系Fig. 2　The relationship between compressive strength of backfill material and mix proportion of fly ash

由圖2試驗結(jié)果可以看出，粉煤灰在適量添加時能夠增強充填材料抗壓強度，尤其對后期強度影響較大。在粉煤灰摻量為11.1%時，材料3d、7d、14d強度分別比不摻粉煤灰的提高24.4%、37.9%和40.1%，提升率逐漸增大。

摻入較多的粉煤灰時，材料強度的增大幅度會降低，摻入量為27.3%時的強度增長幅度比20.0%在3d、7d、14d3個齡期分別降低13.7%、1.7%和2.4%。

3.2粉煤灰對泌水率的影響

泌水率是指在一定時間內(nèi)從充填材料試樣中泌出的水分占試樣拌和用水總量的百分比，是衡量充填材料持水性能的重要指標(biāo)，用來判斷材料的顆粒級配及和易性等情況。泌水率大，則充填材料的保水性差，水分易于析出，充填材料的和易性變差，且會發(fā)生嚴(yán)重分層和離析。

圖3為質(zhì)量濃度與充填材料泌水率的關(guān)系曲線，從圖中可以看出，總體上隨著粉煤灰用量的增加，充填材料泌水率不斷減小。試驗泌水率過程為三段式，一是高速均勻泌水階段，二是低速遞減泌水階段，三是泌水停止階段。粉煤灰摻量相對較小的試樣其泌水速率大于摻量較大的試樣，較快達(dá)到泌水停止階段。在泌水時間為30min時，所有試樣的泌水率均小于3%，且摻量為26.3%和22.2%的試樣，其泌水率小于2%。

圖3　粉煤灰用量與充填材料泌水率的關(guān)系Fig. 3　The relationship between bleeding rate of backfill material and mix proportion of fly ash

3.3粉煤灰對分層度的影響

分層度是衡量膠凝充填材料性能穩(wěn)定性的一個關(guān)鍵指標(biāo)，利用其黏稠度來表征混合材料中不同顆粒在垂直方向上的運動遷移規(guī)律。對于充填材料，較低的分層度說明其均一性較好，利于遠(yuǎn)距離輸送和材料強度的均勻發(fā)揮，較大的分層度會造成材料的離析，在輸送過程中容易發(fā)生堵管事故。

粉煤灰用量對分層度的影響如圖4所示，隨著粉煤灰摻量的提高，充填材料的分層度不斷降低，其降低趨勢基本呈線性規(guī)律(式3)。

n=-0.05w+2.15

(3)

式中，n為分層度(cm)；w為粉煤灰摻量(%)。

圖4　粉煤灰用量與充填材料分層度的關(guān)系Fig. 4　The relationship between layered degree of backfill material and mix proportion of fly ash

3.4粉煤灰對凝結(jié)時間的影響

充填材料凝結(jié)時間是材料在強度指標(biāo)達(dá)到一定限值時所需的時間，是評價充填材料在輸送過程中的化學(xué)穩(wěn)定性和充填后強度發(fā)揮的重要指標(biāo)，對充填作業(yè)非常重要，目前國內(nèi)外并沒有對充填材料的凝結(jié)時間制定統(tǒng)一的測定標(biāo)準(zhǔn)，本文參照建筑砂漿標(biāo)準(zhǔn)進行測試(陜西省建筑科學(xué)研究院， 2009)。

圖5　粉煤灰用量與充填材料凝結(jié)時間的關(guān)系Fig. 5　The relationship between coagulation time of backfill material and mix proportion of fly ash

由圖5粉煤灰用量與充填材料凝結(jié)時間的關(guān)系曲線可以看出在相同的條件下，充填材料的凝結(jié)時間隨著粉煤灰用量的增長而增加，呈現(xiàn)簡單的指數(shù)增長趨勢(式4)。

(4)

式中，T為凝結(jié)時間(h)；w為粉煤灰摻量(%)。

3.5粉煤灰對坍落度的影響

坍落度是充填材料工作性能的一個重要參數(shù)，直接反映充填漿體在管道中的流動能力和摩擦阻力大小。為了研究粉煤灰對充填材料流動性能的影響，固定料漿濃度為83.3%，通過改變粉煤灰摻入量進行一系列試驗。

圖6所示為粉煤灰摻入量對坍落度影響的關(guān)系曲線。從圖中可以看出：在材料配比不變的情況下，充填材料的坍落度隨著粉煤灰摻量的增加呈上升趨勢。粉煤灰摻量為6.7%～22.2%時，坍落度隨著粉煤灰摻量的增加而減速增加，超過22.2%后，坍落度隨之下降。

圖6　粉煤灰含量與充填材料坍落度的關(guān)系Fig. 6　The relationship between slump of backfill material and mix proportion of fly ash

4　分析與討論

4.1粉煤灰對充填材料性能影響機制分析

粉煤灰是煤粉經(jīng)高溫燃燒后形成的一種似火山灰質(zhì)的混合材料，其在風(fēng)積砂質(zhì)膠凝材料中具有三種效應(yīng)，一是火山灰效應(yīng)，二是顆粒形態(tài)效應(yīng)，三是微集料效應(yīng)。前者為化學(xué)效應(yīng)，后兩者為物理效應(yīng)。粉煤灰經(jīng)高溫后在其顆粒中存儲了較高能量，因此粉煤灰具有一定的類火山灰的化學(xué)活性，其活性來自SiO2和Al2O3。粉煤灰作為一種摻和料與水泥拌水混合后，SiO2和Al2O3將與水泥水化產(chǎn)生的堿性激發(fā)劑Ca(OH)2發(fā)生下述化學(xué)反應(yīng)(馮國瑞等， 2011)，生成水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣等產(chǎn)物，這些水化產(chǎn)物在混合材料中起膠結(jié)作用。粉煤灰的摻入，一定程度上增大了膠凝材料的數(shù)量。

SiO2+Ca(OH)2+H2O→CaO·SiO2·xH2O

Al2O3+Ca(OH)2+H2O→CaO·Al2O3·xH2O

Al2O3+Ca(OH)2+2SiO2+3H2O→CaO·Al2O3·

2SiO2·4H2O

粉煤灰是由多種顆?；旌系牧Ｈ?，主要有漂珠、沉珠、磁珠、玻璃體等，由圖1中可以看出，粉煤灰的顆粒粒徑集中在1～70μm，略小于水泥的顆粒粒徑，但大大小于風(fēng)積砂顆粒的粒徑。粉煤灰在風(fēng)積砂質(zhì)膠結(jié)充填材料中的物理效應(yīng)主要體現(xiàn)為4方面：(1)改善了混合材料顆粒的粒徑組成，風(fēng)積砂是一種級配不良骨料，粉煤灰作為輔料與風(fēng)積砂及水泥進行混合，改善了混合材料的級配，有效地分散了水泥顆粒，使混合材料結(jié)構(gòu)更加致密(劉寶舉等， 2003)； (2)減少了混合材料的大孔隙和孔隙率，粉煤灰作為細(xì)顆粒充填于風(fēng)積砂顆粒之間，填充了顆粒之間的大孔隙，使大孔隙變?yōu)樾】紫?，且總體孔隙率降低，置換出更多的大顆粒間的孔隙水來潤滑顆粒運動(郝文霞等， 2005)； (3)改善了顆粒間的接觸狀態(tài)，粉煤灰特殊的顆粒形態(tài)在大顆粒之間起到了滾軸作用，將會降低大顆粒間的黏滯力和庫侖摩擦力，有利于顆粒間的相對運動(巴恒靜等， 2002)； (4)增強了漿液持水能力，粉煤灰相比風(fēng)積砂顆粒具有更大的比表面積，顆粒表面會吸附更多的水分而形成潤滑水膜，且吸附水分不會泌出，另外，小孔隙容易形成毛細(xì)現(xiàn)象，鎖住更多水分，減少水的析出。根據(jù)以上分析，可知粉煤灰在風(fēng)積砂質(zhì)膠凝材料中的4種物理效應(yīng)如圖7所示，細(xì)顆粒均勻地填充于大顆粒之間。

圖7　粉煤灰在膠結(jié)材料中的物理效應(yīng)示意圖Fig. 7　Diagram of physical effect of fly ash in backfill material

4.2充填材料性能宏觀表征

在充填材料中，適量的粉煤灰發(fā)揮著火山灰效應(yīng)和改善顆粒級配作用，使充填材料的結(jié)構(gòu)更加致密，且增加了水化的膠結(jié)產(chǎn)物，充填材料的強度得以提升。同時，因粉煤灰顆粒結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定，與Ca(OH)2等微粒發(fā)生反應(yīng)的進程較慢，強度發(fā)揮后期快于早期，在圖2中粉煤灰摻量小于11.1%時比較顯著，凝結(jié)時間也會相對變長(圖5)。

在適當(dāng)?shù)姆勖夯覔搅肯拢涮畈牧系姆謱佣?、泌水率、凝結(jié)時間和坍落度等指標(biāo)，都可得到較好的提高或控制。主要是因為粉煤灰的顆粒組成和特征，粉煤灰的摻入使充填材料趨向于均勻，即混合顆粒粒度梯度均勻、水分分布均勻、水泥顆粒分散均勻，減少了大顆粒間的骨架孔隙，提升了顆粒間的潤滑效果，增強了材料的綜合持水能力。從而使膠凝材料的泌水率降低(圖3)，且在泌水停止階段，4組試樣的總泌水率相近。粉煤灰顆粒填充了大顆粒間的空間，將大顆粒懸浮于混合介質(zhì)中，阻礙顆粒向下運動使分層度逐漸減小(圖4)。粉煤灰引入的珠狀顆粒以及使水分均勻的效果，使塌落度持續(xù)增大 (圖6)，較大程度降低了充填材料的離析風(fēng)險。

繼續(xù)增大粉煤灰的摻量，會引起兩個問題，一是稀釋水泥相對含量，二是破壞相對最佳顆粒級配狀態(tài)。在兩個較為敏感的指標(biāo)上得以體現(xiàn)，當(dāng)粉煤灰摻量繼續(xù)增大至27.3%，水化反應(yīng)的膠結(jié)產(chǎn)物所能膠連的摻合物比例降低，網(wǎng)狀膠連結(jié)構(gòu)將會被削弱，充填材料的抗壓強度將會下降； 同時，當(dāng)粉煤灰摻量大于22.2%時，由于較大的粉煤灰摻量使充填材料中細(xì)顆粒比例增加，細(xì)顆粒的比表面積較大，需水量大，導(dǎo)致漿體拌合物黏稠度增加，充填材料的坍落度降低。

綜上所述，粉煤灰作為一種輔料摻入風(fēng)積砂質(zhì)膠凝充填材料中，適當(dāng)?shù)膿饺氡壤龝嵘牧系膹姸群洼斔托阅埽^大摻量也會導(dǎo)致充填材料的部分性能出現(xiàn)降低，因此存在粉煤灰的最優(yōu)摻入比例。

4.3充填材料性能細(xì)觀表征

圖8和圖9分別為不摻入和摻入粉煤灰的風(fēng)積砂質(zhì)膠凝充填材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)圖。由圖8中可以看出，單純風(fēng)積砂和水泥組成的膠凝材料中顆粒粒度跨度較大，且存在較多的顆粒間孔隙，而粉煤灰的加入在小顆粒與大顆粒之間承擔(dān)了橋梁的作用。另外由圖9明顯看出粉煤灰的圓珠型顆粒充填于大小顆粒之間，提升了充填材料的密實度，且珠型顆粒結(jié)構(gòu)對充填材料的和易性也是較大的促進。

圖8　砂質(zhì)膠凝充填材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)Fig. 8　Microstructure of backfill material with wind-blown sand as aggregate

圖9　含粉煤灰砂質(zhì)膠凝充填材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)Fig. 9　Microstructure of backfill material with wind-blown sand and fly ash

由圖中觀測顆粒之間的膠結(jié)狀態(tài)，顆粒通過似絨毛結(jié)構(gòu)發(fā)生膠連，因此，水泥與骨料之間應(yīng)存在極限比例，極限比例應(yīng)出現(xiàn)在水泥水化產(chǎn)物包裹風(fēng)積砂等骨料顆粒，形成穩(wěn)定的膠結(jié)結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)。因此，水泥摻入量少時，水泥摻入量對強度影響不大； 當(dāng)水泥摻入量大時，充填體強度才隨水泥含量增加而急劇增加。粉煤灰加入后充填了部分砂顆粒之間的孔隙，使整個結(jié)構(gòu)微粒組成變得更加均勻，有效提高了材料的密實度，對強度發(fā)揮是一個積極的作用。

4.4粉煤灰的最佳摻量

根據(jù)充填材料的工作需求確定材料的特性參數(shù)要求。充填材料在粉煤灰摻量為11.1%～27.3%時，材料的14d單軸抗壓強度均大于5MPa，且該強度還會隨著養(yǎng)護齡期而增大。當(dāng)摻量在22.2%時，材料的坍落度達(dá)到23cm的最大值，泌水率小于2%，凝結(jié)時間為13h，分層度為1.04cm，均處于充填材料較合理的指標(biāo)范圍內(nèi)。因此對于本文所設(shè)計的風(fēng)積砂質(zhì)高濃度膠凝充填材料，粉煤灰的最佳摻量應(yīng)約為固體材料總質(zhì)量的22.2%。

5　結(jié)　論

通過研究摻入粉煤灰風(fēng)積砂質(zhì)膠凝充填材料的多個性能指標(biāo)變化規(guī)律，得出如下結(jié)論：

(1)粉煤灰中所含的活性物質(zhì)，特殊的顆粒結(jié)構(gòu)以及顆粒組成，是影響充填材料強度和輸送性能的主要原因。

(2)適量粉煤灰的摻入，使充填材料顆粒梯度、水分分布和水泥分散均勻，有效減小材料的大孔隙和顆粒間的摩擦力，增強材料的持水能力，提高充填材料的強度及輸送性能。

(3)較大粉煤灰摻量會導(dǎo)致水泥含量相對稀釋，以及顆粒級配最佳狀態(tài)改變，產(chǎn)生充填材料部分性能降低的現(xiàn)象。

(4)綜合粉煤灰對充填材料各性能指標(biāo)的影響可以得出，粉煤灰在風(fēng)積砂質(zhì)高濃度膠凝充填材料中的最佳摻入比例約為22.2%。

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RELATIONSHIP BETWEEN ENGINEERING PERFORMANCE AND MIX PROPORTION OF FLY ASH FOR CEMENTED AND HIGH CONCENTRATION BACKFILL MATERIAL WITH WIND-BLOWN SAND AS AGGREGATE

WANG Xiaodong

(Xi′anResearchInstitute，CCTEG，Xi′an710077)

In coal mining with backfill， backfill material dominates the benefit， efficiency and effect. In order to get the characteristics varying pattern of cemented and high concentration backfill material with wind-blown sand as aggregate， fly ash is selected as variables to test and analyze the characteristics varying pattern of backfill material with the mix proportion of fly ash. The results show that， as the mix proportion of fly ash increases in a proper range in backfill material， the compressive strength increases， the bleeding rate decreases in general， the layered degree declines by linear pattern， the coagulation time grows up by exponential pattern， and the slump is growing consecutively. But， with the higher mix proportion of fly ash， the compressive strength and slump will drop comparatively. When the mix proportion of fly ash is in proper range， the fly ash optimizes the particle size gradient of backfill material， and makes water and cement distribution uniform in backfill material. As a result， the strength characteristic and rheological performance can be improved. However， some characteristics will degenerate with higher mix proportion of fly ash．

Fly ash， Gob， Cemented and high concentration backfill material， Mining with backfill， Strength， rheological performance

10.13544/j.cnki.jeg.2016.01.010

2015-01-07;

2015-03-11.

國家自然科學(xué)基金(51404295)，陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計劃(2015JQ5185)和中煤科工集團西安研究院有限公司科技創(chuàng)新基金(2012XAYFX006)資助.

王曉東(1981-)，男，博士，助理研究員，主要從事煤田地質(zhì)與煤炭開采技術(shù)研究工作. Email：wangxiaodong@cctegxian.com

TD12

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