梁志强
【摘 要】伴随着采空区胶结充填技术的发展，充填胶凝材料的研究与应用技术取得了长足的发展。介绍了高水速凝充填胶凝材料、粉煤灰充填胶凝材料、矿渣基充填胶凝材料等新型充填胶凝材料在矿山行业的研究及应用概况，分析了不同充填胶凝材料的特点和局限性，提出了开发具有潜在胶凝活性的工业固体废料、降低充填胶凝材料成本和改善胶凝材料性能将是充填材料今后发展的方向。%With the development of cementing filling technology in mined-out area,backfill material research and appli-cation technology has made great development. The features and performances of different cementing materials such as high-wa-ter rapid-setting cementing material, fly ash backfill cementing materials and blast furnace slag backfill cementing materials were reviewed. It is suggested that the solid wastes with potential cementing activity,backfill material with low costs,methods can improve gelled material properties will be the future development direction. 【期刊名称】《金属矿山》
【年(卷),期】2015(000)006
【总页数】7页(P164-170)
【关键词】充填胶凝材料;水泥;高水速凝材料;粉煤灰;高炉矿渣
青山绿水共为邻
【作 者】梁志强
【作者单位】中钢集团工程设计研究院有限公司石家庄设计院，河北 石家庄050021
【正文语种】中 文
【中图分类】生产测井TD80
对采空区进行胶结充填，不仅能够控制矿山地压活动、避免地表塌陷、保障采矿安全，而且能够消耗大量的尾矿、矸石等矿山固体废弃物［1-7］。因此，采空区胶结充填技术得到了日益广泛的应用。胶凝材料在采空区胶结充填中具有至关重要的作用，其组成和性能直接影响着胶结充填的效果和成本。因此，开发适用于矿山充填用的新型高效胶凝材料，是国内外矿业工程领域关注和研究的热点。
水泥是最常用的胶凝材料，对于粗骨料、高浓度充填料浆的胶结具有良好的效果，用量一般为180 ～240 kg/m3，水灰比1.2 ～1.3，充填体的强度可达到1～3 MPa［1-5］。然而，硅酸盐水泥作为充填胶凝材料，存在着凝结硬化慢、养护时间长、早期强度低等不足，影响采场作业循环［2-3，6-7］。而且，随着胶结充填工艺的不断发展，尤其是尾矿等细骨料在充填材料中的大量应用，水泥胶凝材料也暴露出对细骨料和低浓度充填料浆的胶结效果差、用量大、凝固慢、成本高等不足［3-4，6-10］。我们是一家人秦文君
为了克服水泥胶凝材料存在的问题，新型低成本、高效充填胶凝材料的研发和应用得到了普遍重视，伴随着采空区胶结充填技术的研究与应用，充填胶凝材料的研究与应用也取得了长足的发展，从早期借鉴混凝土行业的水泥胶凝材料，逐步开发了具有大水灰比凝结特性的高水速凝材料、以工业固废为主的低成本粉煤灰胶凝材料和高炉矿渣胶凝材料等［3-4，6-11］。本文旨在对近年来国内新型充填胶凝材料的研究和应用进行简要的归纳总结，以推动我国新型矿山充填材料技术的研发和应用。
1 高水速凝材料
高水速凝材料(高水材料)又称双浆料，是我国在上世纪80 年代末研究成功的新型充填胶凝
材料。该材料由甲、乙(或A、B)2 种材料组成，甲料一般由硫铝型(高铝型、铁铝型)水泥熟料、缓凝剂和悬浮剂等经过粉磨、均化而成，乙料由石膏、石灰、悬浮剂、速凝剂等材料按一定配比粉磨而成［2-3，6-7，12-13］。高水速凝材料具有普通硅酸盐水泥所不具备的高吸水特性和速凝特性，其水化过程中可生成大量高结晶水的钙矾石(3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O)［2-3，6-7，12］，同时形成的其他水化产物——硅酸凝胶、铝酸凝胶等也可结合部分水。因此，高水材料调配的浆液能在很大液固比(体积含水率为85% ～90%)条件下，在5 ～30 min 内凝固硬化，最终变成一种较坚固的高含水固体［2-3，12-13］。一般将水体积大于95%的材料称为超高水材料，小于95%时称为普通高水材料［14］。
高水速凝材料具有凝固速度和强度增长速度快、固水能力强等特点，其充填体1 h 的凝固强度可以达到0. 5 ～1. 0 MPa、体积含水率可以达到70% 以上［2，12-15］。例如，将甲料和乙料分别制成水灰比为2.5∶ 1 的单浆料，然后按照1∶ 1 混合后，5 ～20 min初凝、40 ～50 min 终凝，充填体1 d 强度达到3 MPa以上、7 d 强度达到4.5 MPa 以上［2，6-7，15-16］。采用高水材料的充填系统，需要建设甲料和乙料两套制浆和输送系统，甲料浆和乙料浆分别输送至待充填的采空区附近进行混合，然后输送至采空区快速凝固，形成
具有一定承载力的固结充填体。高水材料最早应用于煤矿井下充填，在开滦、淮北、淮南、徐州、鹤壁、平顶山、枣庄等地矿务局都得到了成功应用［12］;之后在山东、安徽、江苏等地的金矿、铜矿也得到了成功应用［9，11，17］。高水材料充填工艺包括高水材料净浆充填、高水灰渣充填和高水材料胶结尾矿充填等。
高水材料净浆充填是指直接将高水材料(甲料和乙料)配制成一定含水率的浆体，输送至采空区凝固，不需要添加其他骨料。该方法2008 年分别在邯郸矿业集团陶一煤矿和临沂矿业集团田庄煤矿进行了现场应用，采用仰斜充填开采，充填体强度能够满足采矿要求，充填吨煤综合成本66.92 元，占充填开采吨煤总成本的22.5%［7］;兖矿集团南屯煤矿采用高水速凝材料净浆充填也取得了良好效果［16］。然而，高水材料充填体的风化使其强度降低［12，15］，为了缓解风化现象，高水净浆充填材料在井下充填时应采用充填袋充填［12］。
高水灰渣速凝材料是以高水速凝材料为胶结料，以(2.0 ～2.5)∶ 1 的水灰比掺入适量的炉渣、粉煤灰、烟道灰、矸石粉等工业废渣组成，充填料浆中水的体积比可达到70%以上［6］。高水灰渣速凝材料的应用在一定程度上降低了充填材料的成本、提高了胶结强度，
1991 年徐州矿务局庞庄矿和夹河矿分别采用高水速凝材料掺加沸腾炉烟道灰和掺加粒径小于5 mm 的破碎矸石粉进行沿空留巷巷旁充填试验，均取得了良好的指标［6］。
高水材料胶结尾矿充填是以高水速凝材料为胶凝材料，尾矿为充填骨料，配制成高浓度浆体充填采空区的方法。高水材料胶结尾矿充填工艺已在焦家金矿、新桥硫铁矿、招远灵山金矿、鸡冠嘴金矿等矿山得到大规模应用［9，11，17］。焦家金矿采用高水速凝材料胶结分级尾矿充填取得了良好效果［9］，充填骨料为旋流器分级脱泥后的+37 μm 粒级尾砂，浓度为70%左右，将甲、乙两种高水材料粉料分别加入两套均盛有尾砂浆的搅拌筒内制成甲、乙两种充填浆液，高水材料含量6% ～8%、单耗105 ～140 kg/m3，充填体强度、接顶效果完全满足安全回采的需要。新桥硫铁矿［17］采用高水材料胶结尾矿充填进行了工业试验，在w(高水材料)∶ w(尾矿)∶ w(水)=1∶ 4.77∶ 3.78 时，充填的尾矿砂浆浓度为50.2%、充填料浆浓度为55.4%，料浆充入采场25 min 后开始凝固，40 min 后即可站人，养护3 d 的抗压强度为1.4 ～2.8 MPa，可以满足现场要求。
高水速凝材料作为充填材料或充填胶凝材料，虽然具有水灰比大、速凝、强度高、施工时间短等优点［16］，但其胶结充填系统复杂、成本高、工艺条件不易控制，尤其是采用高
水材料净浆充填，胶结料用量和充填成本大大增加［6，15］，在不需要速凝和大水灰比的普通充填系统中难以推广应用。而且高水材料净浆的抗风化性能较差，不适合在干燥、开放环境中使用［15］。因此，目前高水速凝材料在需要速凝和大水灰比充填的煤矿中应用较广，而在普通金属矿山胶结充填中的应用较少。
2 粉煤灰充填胶凝材料
球的物理世界粉煤灰是一种火山灰质材料，具有潜在的水化反应活性，已在水泥掺合料、混凝土混合材中得到了广泛的应用［8，18-19］。粉煤灰的主要化学成分是SiO2、Al2O3、CaO、Fe2O3 和少量未燃的炭粒，主要物相为铝硅玻璃体和少量的石英、莫来石等矿物，其中大量的玻璃体物质是粉煤灰胶凝活性的主要来源。
新桥硫铁矿是国内较早将粉煤灰用于矿山充填的企业［20-21］。为了解决水泥+江砂充填材料水泥离析严重、脱水困难、充填体强度偏低，而且水泥单耗高、充填成本高等问题，新桥硫铁矿开展了添加粉煤灰充填试验研究，当水泥、粉煤灰、尾砂(江砂)质量比为1∶ 2∶ 8 时，充填体90 d 抗压强度可达到2 MPa以上，为w(水泥)∶ w(江砂)=1∶ 6 时充填材料强度的2 倍以上，完全满足人工矿柱构筑要求;而且，添加粉煤灰后，充填成本比w(水泥)∶ w(修伟良
江砂)为1∶ 6充填材料的成本降低20%以上，充填体泌水率比江砂胶结充填降低60%左右［20-21］。刘坚［22］对比了w(水泥)∶ w(尾砂)=1 ∶ 8 和w(水泥)∶ w (粉煤灰)∶ w(尾砂)为1∶ 2∶ 6 及1∶ 2∶ 8 时砂浆的抗压强度，表明添加粉煤灰后充填试块90 d 的强度均有提高，说明粉煤灰具有一定的胶凝性能，添加粉煤灰可提高胶结强度，降低水泥用量。王正辉［23］指出，粉煤灰替代部分水泥后，充填体3，7，28 d 的强度均有不同程度降低，以3 d 强度降低最显著，而28 d 的强度降低幅度较小，说明粉煤灰替代水泥后对充填体的早期强度不利，但对长期强度影响不大。张绍国等［24］将配比为w(水泥)∶ w(粉煤灰)∶ w(混合骨料(尾砂75%、跳汰砂25%))=1∶ 2∶ 6 的充填浆体与不加粉煤灰的混合骨料胶结充填方案对比，达到相同胶结强度时可减少水泥消耗26%。赵才智等［25］对比了高浓度全尾砂、水泥胶结充填料浆中加入粉煤灰后对强度的影响，结果表明:调节尾矿浓度为76% ～80%，当水泥用量为250 kg/m3、粉煤灰用量为300 kg/m3 时，与仅使用水泥(用量为250 kg/m3)的胶结试样相比，其3 d 强度提高了4% ～23%、7 d 强度提高了17% ～53%、28 d 强度提高了72% ～148%。张钦礼等［26］研究发现，配比为w(水泥)∶ w (粉煤灰)∶ w(尾砂)=1 ∶ 2 ∶ 6 的试块与配比为w (水泥)∶ w(尾砂)=1∶ 8 的试块相比，添加粉煤灰后28 d 强度提高5% ～30%、90 d 强度提高了42% ～57%。张海军等［27］对金川二矿区充填材料的
配比试验研究表明:在水泥、全尾砂、棒磨砂充填材料中，保持水泥配比不变，添加粉煤灰取代部分骨料，可使充填体强度增加。王新民等［28］研究结果表明，利用粉煤灰替代22.2%的尾砂后，与相同灰砂比的尾砂胶结充填试块相比，添加粉煤灰的胶结试块的28 d 强度提高了12.4%、90 d 强度提高了81.2%，而且，添加粉煤灰后可降低试块的泌水率。王健等［29］以水泥为胶凝材料、粉煤灰和尾砂为混合充填骨料，应用响应面法对灰砂比、混合骨料配比对胶结体强度的影响进行了试验研究，结果表明:灰砂比为20%、粉煤灰量为骨料量的80% 时，料浆4 h 胶结强度可达到0.40 MPa、24 h 抗压强度达0.69 MPa，粉煤灰在胶结充填中能够大量利用。何荣军等［30］以粉煤灰为主要原料，采用40 ～150 kg/m3 复合胶结料和650 ～860 kg/m3 粉煤灰制备了粉煤灰膏体充填材料，膏体浓度在55% ～60%时，其坍落度可达到25 cm，满足泵送性能要求。张钦礼等［31］将湿排粉煤灰作为新型充填骨料，控制w(水泥)∶ w(粉煤灰)为1∶ (8 ～10)，固体质量分数为62% ～65%，可满足华泰矿业井下充填的各项要求。
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