第１５卷第２期（总第９３期） ２０１０年４月 煤 矿 开 采 Ｃｏａｌ ｍｉｎｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｖｏ１．１５Ｎｏ．２（Ｓｅｒｉｅｓ Ｎｏ．９３） Ａｐｒｉｌ ２０１０ 矿渣巷旁充填胶凝材料的制备与机理分析 勾密峰，管学茂，张海波 （河南理工大学材料科学与工程学院，河南焦作４５４００３） ［摘要］ 通过正交试验研究了石膏、石灰、硅酸钠对矿渣巷旁充填胶凝材料早期及后期强度 的影响；对胶凝材料硬化体进行了综合热分析和扫描电镜分析，探讨了矿渣巷旁充填胶凝材料的水化 机理。通过试验研究发现矿渣胶凝材料中石膏石灰均存在一个最佳掺量，制备出的胶凝材料早期强度 高，后期强度稳定，适合作为巷旁充填材料的胶凝材料。 ［关键词］ 巷旁充填；矿渣；胶凝材料 ［中图分类号］ＴＤ３５０．４ ［文献标识码］Ａ ［文章编号］１００６—６２２５（２０１０）０２－００５９－０３ Ｃｅｍｅｎｔｉｔｉｏｕｓ Ｍａｔｅｒｉａｌ ｆｏｒ Ｓｔｏｗｉｎｇ ａｔ Ｏｎｅ Ｓｉｄｅ ｏｆ Ｒｏａｄｗａｙ ｗｉｔｈ Ｓｌａｇ ａｎｄ Ｉｔｓ Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ Ａｎａｌｙｓｉｓ Ｃ０Ｕ Ｍｉ．ｆｅｎｇ．ＧＵＡＮ Ｘｕｅ，Ｉｎａｏ．ＺＨＡＮＧ Ｈａｉ—ｂｏ （Ｍａｔｅｒｉａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｈｅｎａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｊｉａｏｚｕｏ ４５４００３，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｒｅｓｅａｒｃｈｅｄ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｇｙｐｓｕｍ，ｌｉｍｅ ａｎｄ ｓｏｄｉｕｍ ｓｉｌｉｃａｔｅ ｏｎ ｅａｒｌｙ ａｎｄ ｌａｔｅｒ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｏｆ ｃｅｍｅｎｔｉｔｉｏｕｓ ｍａｔｅｒｉａｌ ｆｏｒ ｓｔｏｗｉｎｇ ａｔ ｏｎｅ ｓｉｄｅ ｏｆ ｒｏａｄｗａｙ ｗｉｔｈ ｓｌａｇ ｂｙ ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ ｔｅｓｔ．Ｉｔ ａｌｓｏ ｍａｄｅ ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ ｔｈｅｒｍａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｓｃａｎｎｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｉｃｒｏ－ ｓｃｏｐｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｒｉｇｉｄｉｉｅａｔｆｉｏｎ ｂｏｄｙ ｏｆ ｃｅｎｍｎｔｉｔｉｏｕｓ ｍａｔｅｒｉｌ ａｎｄ ｄｉａｓｃｕｓｓｅｄ ｈｙｄｒａｔｉｏｎ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ ｃｅｍｅｎｔｉｔｉｏｕｓ ｍａｔｅｒｉａｌ ｆｏｒ ｓｔｏｗｉｎｇ ａｔ ｏｎｅ ｓｉｄｅ ｏｆ ｒｏａｄｗａｙ ｗｉｔｈ ｓｌａｇ．Ｔｅｓｔ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅｒｅ ｗａｓ ａ ｏｐｔｉｍａｌ ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎｉｎｇ ｏｆ ｇｙｐｓｕｍ ａｎｄ ｌｉｍｅ ｉｎ ｃｅｍｅｎｔｉｔｉｏｕｓ ｍａｔｅｒｉａｌ，ａｎｄ ｔｈｅ ｍａｔｅｒｉａｌ ｍａｄｅ ｗｉｔｈ ｔｈｉｓ ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎｉｎｇ ｗａｓ ｆｉｔ ｆｏｒ ｓｔｏｗｉｎｇ ａｔ ｏｎｅ ｓｉｄｅ ｏｆ ｒｏａｄｗａｙ ｆｏｒ ｉｔｓ ｈｉｇｈ ｅａｒｌｙ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ａｎｄ ｓｔａｂｌｅ ｌａｔｅｒ ｓｔｒｅｎｇｔｈ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｔｏｗｉｎｇ ａｔ ｏｎｅ ｓｉｄｅ ｏｆ ｒｏａｄｗａｙ；ｓｌａｇ；ｃｅｍｅｎｔｉｔｉｏｕｓ ｍａｔｅｒｉａｌ 沿空留巷技术能够较好地实现无煤柱护巷，是 煤矿开采技术的一项重大改革¨】Ｊ。沿空留巷的关 键在于沿空一侧巷旁支护材料的选择。目前，最为 低廉、后期强度稳定等优点。 １试验原材料 先进的沿空留巷技术大都采用巷旁充填支护，采用 泵送充填系统输送水泥或高水材料为胶凝性充填材 （１）高水材料的甲料采用山东淄博金湖高 水材料有限责任公司生产的硫铝酸盐型高水材料的 甲料，经分析其主要成分为无水硫铝酸钙矿物。 （２）矿渣本试验所用矿渣粉购自焦作筑王 水泥有限公司，其化学成分见表１。 表１ 矿渣化学成分分析结果 料构筑巷旁充填体，而充填体固化时间及强度，是 影响采矿周期及矿石损失、贫化率的重要因素，充 填成本的高低直接影响着矿山经济效益 Ｊ。实践 表明，巷旁充填护巷成本以充填材料费用所占比重 最大，一般占总成本的７０％～８０％ 。因此，研 制力学性能优良、价格低廉并便于实现机械化的充 填材料是应用充填支护的关键。 充填成本中胶凝材料的直接成本占４０％～ 堕 占ＥＥ／％矍 全 １．４３ ４０．３０ ６．９３ ０．２３ ４２．１７ ５．８０ １．１２ ９７．９８ （３）石膏 本试验所用石膏取自焦作坚固水 泥厂，为山西石膏矿石，用试验室的统一试验小磨 粉磨，经过化学分析确定其为硬石膏和二水石膏的 ６０％，甚至８０％。不能达到沿空留巷对巷旁充填 材料早强的要求；而高水材料存在充填体强度不 高，容易风化而散落，稳定性差等缺点，此外，也 是矿山所不能接受的。本文针对高水材料的缺点， 中间体，其ＳＯ 含量为４０％。 （４）石灰（５）硅酸钠试验采用生石灰，购自焦作某石 本试验所用硅酸钠为化学试剂， 灰窑，其氧化钙含量为９５％。 购自焦作某化学试剂店。 （６）外加剂 本试验所用外加剂，自行复 采用固体工业废弃物矿渣与高水材料的甲料配制矿 渣巷旁充填胶凝材料。配制出的矿渣巷旁充填胶凝 材料不但具有高水材料的早强特性，而且具有成本 ［收稿日期］２００９—０９—１５ ［基金项目］生产科技计划项目（０７—１４５） ［作者简介］勾密峰（１９７９一），男，河南商水人，助教，在读博士，主要从事有关材料工程方面的研究。 ５９ 总第９３期 煤矿 开 采 ２０１０年第２期 配，具有缓凝和减水作用。 ２试验方案确定 由表４和表５分析可知：石膏的掺量是对小时 强度影响最显著的因素，硅酸钠的掺量是影响小时 根据前期的大量探索性试验选取石膏、石灰和 硅酸钠的３个水平，设计正交表进行试验研究。其 强度的较显著因素，相比之下，石灰的掺量对小时 强度影响较小。在影响小时强度的因素中，石膏掺 ９ ９ ９ Ｏ ０ ０ ｌ ｌ １ 量的３水平即１１％最好，且掺量越大，小时强度 因素水平见表２。 表２正交试验因素水平 试验固定高水材料甲料的掺量、外加剂掺量， 其余用矿渣调整，水胶比为０．４。划去未排因素的 列，得到如下试验方案，如表３。 表３试验方案 … 嚣 ６５ ６４．５ ６４ ６３．７５ ６３．２５ ６３．５ ６２．５ ６２．７５ ６２．２５ ３试验结果与分析 按照方案表３的配方进行试验，制备出的胶凝 材料净浆试块（简称为水泥石）单轴抗压强度试 验结果如表４所示。 表４正交试验结果 ３．１早期强度分析 依据表３和表４，可以计算３ｈ强度因素的极 差，从而确定因素的主次顺序，如表５所示。 表５ ３ｈ强度极差分析 越高，这主要是因为在ＯＨ一存在的情况下，石膏掺 量越大越能在早期生成大量的钙矾石，钙矾石为水 ；｝｝ 泥石提供了早期强度；硅酸钠的掺量为１．５％时效 ５ ５ ５ 果较好，说明硅酸钠的弱碱性促进了钙矾石的生 成，同时又不影响硅酸二钙的水化；而石灰的掺量 ｉ｝ 为１％时效果较好，从而可以得出对早期强度影响 巧５ ５ ５ 较大的最优组合为Ａ Ｂ Ｃ 。各因素对水泥石早期 强度的影响程度大小为：石膏＞硅酸钠＞石灰。 对照表３，分析表４的试验结果可以看出：３ 号试验的３ｄ强度较１ｄ强度有所下降，说明相对于 ９％的石膏掺量，石灰和硅酸钠的１．５％的掺量是 过量的，从而引起水泥石强度的降低。７号试验的 １ｄ强度较３ｈ强度下降明显，同时试块也出现了大 量的宏观裂纹，说明相对于石灰１％的掺量，石膏 掺量为１１％是过量的。 ３．２后期强度分析 为研究各种因素对水泥石的后期强度的影响程 度，现对其２８ｄ和６０ｄ抗压强度结果进行极差分 析，结果如表６，表７所示。 表６ ２８ｄ强度极差分析 表７ ６０ｄ强度极差分析 由表６可以看出：石灰的掺量对水泥石后期强 度影响最为显著，石膏对水泥石后期的强度影响次 之，这与矿渣活性激发理论相符合，石灰对后期强 度的影响大，说明石灰在水化后期能激发矿渣的活 性使得后期强度提高。由极差分析，各因素对水泥 石２８ｄ强度影响的显著程度为：石灰＞石膏＞硅酸 钠，最佳掺量为石膏１０％，石灰１．５％，硅酸钠 勾密峰等：矿渣巷旁充填胶凝材料的制备与机理分析 ２０１０年第２期 １．２５％，即最优组合为Ａ Ｂ Ｃ 。 由表７可以看出：石灰的掺量对水泥石后期强 度影响最为显著，硅酸钠对水泥石后期强度影响次 ４结论 （１）通过正交试验确定了石膏、石灰与硅酸 钠的最佳掺量，制备出的水泥石早期强度高，后期 强度稳定。 （２）石膏掺量的增加能提高水泥石的早期强 度，但存在一个合适的掺量，掺量过高水泥石强度 之，这与矿渣活性激发理论相符合，石灰与硅酸钠 对后期强度影响大，说明石灰和硅酸钠在水化后期 均能激发矿渣的活性使后期强度提高。由极差分 析，各因素对水泥石６０ｄ强度影响的显著程度为： 石灰＞硅酸钠＞石膏，最佳掺量为石膏１０％，石 灰１．５％，硅酸钠１．２５％，即最优组合为Ａ Ｂ Ｃ：。 综合水泥石的２８ｄ和６０ｄ强度的极差分析可以 下降，试块膨胀开裂；石灰掺量的增加不但能提高 水泥石的早期强度而且能提高水泥石的后期强度， 但对于早期强度的提高存在一个合适的掺量，掺量 过高反而降低了水泥石的早期强度。 （３）综合考虑早期强度和后期强度，胶凝材 看出，石灰是对水泥石后期强度影响的最显著因 素，随着时间的延长，石膏对水泥石后期强度的影 响逐渐减小，而硅酸钠对水泥石后期强度的影响逐 渐增强。无论是２８ｄ还是６０ｄ的最优组合均为 Ａ２Ｂ３Ｃ２。 料的最佳配比是高水材料甲料掺量为２４％、石膏 掺量为１１％、石灰掺量为１．５％、硅酸钠掺量为 １．５％、矿渣掺量为６２％。 ［参考文献］ ［１］华心祝．我国沿空留巷支护技术发展现状及改进建议［Ｊ］． 煤炭科学技术，２００６，３４（１２）：７８—８】． ３．３最佳配比试验 通过正交试验结果分析可以看出，在胶凝材料 中若要提高水泥石的早期强度，应尽量提高石膏的 掺量而降低石灰的掺量，若要提高水泥石的后期强 度应尽量提高石灰的掺量，综合考虑水泥石的早期 强度和后期强度，胶凝材料的最佳配比是高水材料 ［２］赵传卿，胡乃联．新型充填胶凝材料在焦家金矿的应用实践 ［Ｊ］．有色金属，２００８，６０（２）：１２９—１３４． ［３］何荣军，周华强，郑保才．煤矸石膏体巷旁充填材料的研究 ［Ｊ］．能源技术与管理，２００６（４）：５１—５３． ［４］吴浩，管学茂，李荣军．粉煤灰充填胶凝材料复合激发剂 甲料掺量为２４％，石膏掺量为１１％，石灰掺量为 １．５％，硅酸钠掺量为１．５％，矿渣掺量为６２％， 外加剂掺量为１％。本文按照胶凝材料的最佳配比 进行试验，试验结果如表８。 表８最佳配比试验结果 试验研究［Ｊ］．粉煤灰，２００６（４）：１３—１５． ［５］王瑞和，姜林林，步玉环．矿渣ＭＴＣ水化机理实验研究 ［Ｊ］．石油学报，２００８，２９（３）：４４２—４４６． ［６］Ｖｌａｄｉｍｉｒ ｚｉｖｉｃａ．Ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｔｙｐｅ ａｎｄ ｄｏｓａｇｅ ｏｆ ａｌｋａｌｉｎｅ ａｃｔｉｖａｔｏｒ ａｎｄ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｏｉｌ ｔｈｅ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ａｌｋａｌｉ—ａｃｔｉｖａｔｅｄ ｓｌａｇ ｍｉｘｔｕｒｅｓ ［Ｊ］．Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ａｎｄ Ｂｕｉｌｄｉｎｇ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，２００７，２１（７）． ［责任编辑：于海灞］ 黄陵一号煤矿实现安全生产三周年 截至２０１０年４月５日，黄陵一号煤矿已实现了安全生产三周年。 近年来，黄陵一号煤矿坚持“安全第一、预防为主、综合治理”的安全生产方针，采取多项措施全面加强安全管 理。首先，加强了职工的安全意识教育，使职工真正树立“安全为天，生命至上”的安全理念；其次，是不断加大安 全投入力度，引进国内先进的采掘机组，使机械化率达到了１００％，建成了地面瓦斯抽放泵站、全国煤炭系统一流的 数字化调度指挥中心以及设施先进的四级安全教育培训ｌ站；三是注重加强现场管理，坚持矿领导带班作业、区队长跟 班生产以及“三人联签”、“四位一体”的安全确认、安全操作，将安全管理的重点放在现场、放在一线；四是形成 全员管安全、人人都是安全管理责任人的大格局；五是全面加强安全文化建设，通过安全宣传教育“四个一”活动京 以及“岗位描述”、“手指口述”等活动，不断提高职工的安全技术素质，使职工的自保和互保意识不断加强，营造 了浓厚的安全生产氛围，为实现本质安全型矿井建设奠定了坚实的基础。 『， ｔ： ：！ ！ ，『 ｌ． ： ｌ ． ｌ：： 综。 ！；： ！；． ÷Ｉ ： ！ ： ｛！矫 ！ ． 尔 尔 出 尜 绵 出不 筇 筇 筇 乖 中国煤炭新闻网 乖出乖 乖 乖 乖 ６１
