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煤矿膏体充填材料配比对充填效果的影响分析 鲁 峰 《国企》杂志、国企网 北京市 100020 摘要：本文详细探讨了煤矿膏体充填材料配比对充填效果的多方面影响。通过对不同配比下膏体充填材料的物理力学性能、流动性、凝固时间以及对煤矿安全生产和环境的作用进行深入分析，结合理论研究与实际工程案例，明确了合理配比在提高煤矿资源回收率、控制地表沉陷和实现绿色开采等方面的重要意义。为煤矿膏体充填技术的进一步优化和发展提供了全面的理论依据和实践指导。 关键词：煤矿膏体充填；材料配比；充填效果；绿色开采 引言: 随着煤炭资源的持续开采，传统开采方式带来的环境和安全问题日益突出，如地表沉陷、煤矸石堆积、水资源破坏等。煤矿膏体充填技术作为一种有效的绿色开采方法，能够在保障煤炭资源开采的同时，最大限度地减少对环境的影响。而膏体充填材料的配比是决定充填效果的关键因素之一，科学合理地确定材料配比对于实现煤矿的安全、高效、绿色开采至关重要。 一、煤矿膏体充填材料的主要组成及特性 （一）组成成分 煤矿膏体充填材料通常由煤矸石、粉煤灰、水泥、水和外加剂等组成。 煤矸石：作为煤矿生产过程中的固体废弃物，其含量丰富且成本较低。煤矸石的颗粒大小、形状和化学成分对充填材料的性能有重要影响。 粉煤灰：是火力发电厂的副产品，具有火山灰活性，能与水泥发生化学反应，提高充填材料的强度。 水泥：作为胶凝材料，是膏体充填材料强度的主要来源。不同类型的水泥其性能有所差异，如普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥等。 水：是膏体充填材料的重要组成部分，其用量直接影响材料的流动性和凝固时间。 外加剂：包括减水剂、缓凝剂、早强剂等，可用于调节充填材料的性能，如提高流动性、控制凝固时间、增强早期强度等。 （二）特性 良好的流动性：膏体充填材料能够在管道中以较低的流速顺利输送，不易堵塞管道，便于施工操作。 较高的强度：经过一定时间的养护，充填材料能够形成具有较高强度的固体，为煤矿提供有效的支撑，保证开采过程中的安全性。 环保性：利用煤矸石、粉煤灰等固体废弃物作为主要成分，减少了对环境的污染，实现了资源的综合利用。 二、膏体充填材料配比对物理力学性能的影响 （一）强度 1.水泥含量的影响 水泥是影响充填材料强度的关键因素之一。随着水泥含量的增加，充填材料的强度逐渐提高。当水泥含量较低时，充填材料的强度不足，难以满足煤矿的支撑要求；而当水泥含量过高时，虽然强度较高，但成本也会大幅增加，同时可能会导致充填材料的收缩增大，影响充填效果。例如，在某煤矿的膏体充填工程中，当水泥含量从 10%增加到 20%时，充填材料的 28 天抗压强度从 3MPa 提高到了 6MPa，但当水泥含量继续增加到 30%时，成本增加了 30%，且收缩率也明显增大。 2.固体废弃物比例的影响 煤矸石和粉煤灰等固体废弃物的比例对充填材料的强度也有重要影响。适当增加固体废弃物的比例，可以降低成本，但同时也会降低充填材料的强度。因此，需要根据实际情况合理调整固体废弃物的比例。例如，在另一煤矿的充填工程中，当煤矸石和粉煤灰的总比例从 70%增加到 80%时，充填材料的强度从 5MPa 下降到了 4MPa，但成本降低了 20%。 3.水灰比的影响 水灰比是指水与水泥的质量比。水灰比的大小直接影响着充填材料的强度。当水灰比较大时，充填材料的流动性较好，但强度较低；当水灰比较小时，充填材料的强度较高，但流动性较差。一般来说，合适的水灰比范围在 1.5 到 2.5 之间。例如，在某煤矿的试验中，当水灰比从 2.5 降低到 1.5 时，充填材料的 28 天抗压强度从 4MPa 提高到了 7MPa，但流动性也明显下降，需要添加适量的减水剂来提高流动性。 （二）变形性能 1.弹性模量 膏体充填材料的弹性模量反映了其在受力时的变形能力。弹性模量越小，充填材料的变形能力越大，能够更好地适应煤矿开采过程中的变形。通过调整材料配比，可以改变充填材料的弹性模量。例如，增加水泥含量和减少固体废弃物比例可以提高弹性模量，而添加适量的粉煤灰可以降低弹性模量。在实际工程中，需要根据煤矿的地质条件和开采要求，选择合适的弹性模量。例如，在地质条件复杂、地层变形较大的煤矿，应选择弹性模量较小的充填材料，以避免充填体因变形过大而破坏。 2.泊松比 泊松比是指材料在横向应变与纵向应变之比。泊松比的大小也会影响充填材料的变形性能。合理的泊松比可以使充填材料在受力时更加均匀地变形，提高充填效果。一般来说，膏体充填材料的泊松比在 0.2 到 0.3 之间。通过调整材料配比，可以改变泊松比。例如，增加水泥含量和减少固体废弃物比例可以降低泊松比，而添加适量的粉煤灰可以提高泊松比。在实际工程中，需要根据煤矿的具体情况，选择合适的泊松比。例如，在需要控制地表沉陷的煤矿，应选择泊松比较小的充填材料，以减少地表的变形。 三、膏体充填材料配比对流动性的影响 水灰比的影响。水灰比是影响膏体充填材料流动性的重要因素之一。水灰比越大，充填材料的流动性越好，但同时也会降低其强度。因此，需要在保证流动性的前提下，尽量降低水灰比，以提高充填材料的强度。一般来说，水灰比在 1.5 到 2.5 之间时，充填材料的流动性较好，且强度也能满足要求。例如，在某煤矿的充填工程中，当水灰比从 2.5 降低到 2.0 时，充填材料的流动性略有下降，但强度提高了 20%。 外加剂的影响。外加剂可以显著改善膏体充填材料的流动性。例如，添加减水剂可以减少用水量，提高充填材料的流动性；添加增稠剂可以增加充填材料的黏稠度，防止其在管道中离析。通过合理选择外加剂的种类和用量，可以实现对充填材料流动性的有效控制。例如，在某煤矿的试验中，添加适量的减水剂后，充填材料的流动性提高了30%，且强度没有明显下降。 三、实际工程案例分析 （一）案例一 某煤矿采用膏体充填技术进行开采，通过对不同配比的膏体充填材料进行大量的试验研究，确定了最佳的材料配比。在该配比下，充填材料具有良好的流动性、强度和凝固时间。在实际应用中，有效地控制了地表沉陷，提高了煤柱稳定性，取得了良好的经济效益和社会效益。具体来说，该煤矿的膏体充填材料由煤矸石、粉煤灰、普通硅酸盐水泥、水和减水剂组成。其中，煤矸石和粉煤灰的总比例为 70%，水泥含量为 15%，水灰比为 2.0，减水剂的用量为水泥质量的 1%。经过测试，该充填材料的 28 天抗压强度达到了 5MPa，流动性满足管道输送要求，凝固时间为 6 小时。 （二）案例二 另一个煤矿在膏体充填材料的配比设计中，充分考虑了固体废弃物的利用和成本控制。通过优化配比，使充填材料中的固体废弃物比例达到了较高水平，同时保证了充填材料的强度和流动性。该煤矿的实践经验为其他煤矿在资源综合利用和降低成本方面提供了借鉴。具体来说，该煤矿的膏体充填材料由煤矸石、粉煤灰、矿渣硅酸盐水泥、水和缓凝剂组成。其中，煤矸石和粉煤灰的总比例为 80%，水泥含量为 10%，水灰比为 2.2，缓凝剂的用量为水泥质量的 0.5%。经过测试，该充填材料的 28 天抗压强度达到了 4MPa，流动性良好，凝固时间为 8 小时。 结语 煤矿膏体充填材料的配比对充填效果有着至关重要的影响。通过合理调整材料配比，可以实现对充填材料物理力学性能、流动性和凝固时间的有效控制，从而提高煤矿的安全生产水平、控制地表沉陷、保护生态环境。在实际应用中，需要综合考虑各方面因素，通过试验研究、数值模拟和现场监测等方法，不断优化膏体充填材料的配比，为煤矿膏体充填技术的发展和应用提供有力的支持。同时，随着科技的不断进步，还需要进一步研究新型的膏体充填材料和配比方法，以满足煤矿绿色开采的更高要求。 参考文献 [1] 吴剑彪.膏体充填快速构筑联络巷永久密闭墙技术及应用研究[D]. 江西理工大学,2023. [2] 温学君.矸石粉膏体充填材料性能研究[D].河北工程大学,2023. [3] 曹天伟.随采随垮型顶板多源煤基固废膏体充填配比和工艺优化研究[D].安徽理工大学,2022. （责任编辑：鲁峰） 国企网版权与免责声明： ① 凡本网注明“来源：国企网或《国企》杂志”的所有作品，版权均属于国企网，未经本网授权不得转载、摘编或利用其它方式使用上述作品。已经本网授权使用作品的，应在授权范围内使用，并注明“来源：国企网”。违反上述声明者，本网将追究其相关法律责任。 |