充填材料及充填工艺课件.ppt

1、讲解人：讲解人：王新民王新民中南大学中南大学 资源与安全工程学院资源与安全工程学院第三篇第三篇 充填材料及充填工艺充填材料及充填工艺第一部分 充填材料及充填质量控制第二部分 充填材料的制备工艺与管道输送第三篇第三篇 充填材料及充填工艺充填材料及充填工艺第一部分第一部分 充填材料及充填质量控制充填材料及充填质量控制充填骨料充填骨料2改性材料改性材料4常用充填材料的来源及分类常用充填材料的来源及分类3 1胶凝材料胶凝材料3 3充填体的力学特性充填体的力学特性6充填体的含水与脱水充填体的含水与脱水3 5充填质量控制充填质量控制3 7密度/tm-3 2.3 2.1 1.7 1.6细泥细砂粗砂水泥砼结构

2、 泵送充填 水力充填 风力充填图图3-1 几种不同充填工艺的充填材料组成几种不同充填工艺的充填材料组成1 常用充填材料的来源及分类常用充填材料的来源及分类充填材料包括胶结剂、骨料、化学添加剂等。不同的充填工艺应用的充填材料组分不同，比例也不同，图3-1为几种国内外常用充填工艺的材料组成。充填充填材料选择材料选择首先矿山废渣的利用首先矿山废渣的利用就地取材，加工成符合就地取材，加工成符合质量指标的充填料质量指标的充填料若需外购应就近取材，若需外购应就近取材，以减少运输费用以减少运输费用1 常用充填材料的来源及分类常用充填材料的来源及分类充充填填材材料料分分类类胶凝材料胶凝材料在充填的条件下，材料

3、本身的物理和化学性质发生变化，使充填骨料凝结成具有一定强度的整体；改性材料改性材料加入充填料中用以改变充填料的质量指际，例如提高流动性和强度，加速或延缓凝固时间等。充填骨料充填骨料在充填过程中和充填体内材料的物理和化学性质基本上不发生变化，作为充填的骨料；类别充填骨料胶凝材料改性材料名称废石、卵石、碎石、河砂、戈璧集料、粘土、重介质尾砂、全粒细尾砂、分级尾砂、水淬炉渣、山砂、人造砂等水泥、磨细的高炉矿渣、磨细的炼铜炉渣、磨细的烧粘土、生石灰、熟石灰、石膏、粉煤灰、磁黄铁矿、硫化矿物等水、絮凝剂、速凝剂、缓凝剂、减水剂、早强剂等。表表3-1 常用充填材料常用充填材料第一部分第一部分 充填材料及充

4、填质量控制充填材料及充填质量控制充填骨料充填骨料2改性材料改性材料4常用充填材料的来源及分类常用充填材料的来源及分类3 1胶凝材料胶凝材料3 3充填体的力学特性充填体的力学特性6充填体的含水与脱水充填体的含水与脱水3 5充填质量控制充填质量控制3 72 充填骨料充填骨料2.1 充填骨料的化学成分充填骨料的化学成分 材料金川风砂凡口尾砂铜官山尾砂红透山尼砂锡矿山尾砂页岩砂岩石灰岩花岗岩SiO271.7029.6339.2256.0086.0058.9078.6414.0070.18A120311.75.704.974.597.3315.634.771.7514.47Fe2O32.0714.252

5、0.111.004.071.080.771.57MgO0.983.820.131.102.471.174.490.88CaO3.3915.2815.141.793.203.155.5140.601.99CO22.675.0335.58Na2O1.320.450.623.48K2O3.281.320.581.11FeO18.562.481.301.76S11.442.554.560.5 单位体积（包括内部封闭孔隙与实体积之和）单位体积（包括内部封闭孔隙与实体积之和）的烘干质量称为表观密度（以前称视比重）。的烘干质量称为表观密度（以前称视比重）。而绝对单位体积（不包括任何封闭的孔隙而绝对单位体积（

6、不包括任何封闭的孔隙)的烘干质量称相对密度。在自然状态下堆积的烘干质量称相对密度。在自然状态下堆积的单位体积的供干质量称堆积密度。经过一的单位体积的供干质量称堆积密度。经过一定的捣实或压实后所测得的单位体积的烘干定的捣实或压实后所测得的单位体积的烘干质量称紧密密度。质量称紧密密度。2 充填骨料充填骨料2.2 充填骨料的密度充填骨料的密度 2 充填骨料充填骨料2.3 充填骨料的孔隙率充填骨料的孔隙率 充填工作所用的充填骨料大多是自然或经过加工的松充填工作所用的充填骨料大多是自然或经过加工的松散材料，而不是原地岩体。为方便充填料量的计算，散材料，而不是原地岩体。为方便充填料量的计算，除非特别指出，

7、孔隙率的计算公式如下：除非特别指出，孔隙率的计算公式如下：（3-1）BDB 孔隙率；B表观密度，t/m3；D堆积密度，t/m3。孔隙率与粒级组成和颗粒间的排列方式有关。等直径密实圆孔隙率与粒级组成和颗粒间的排列方式有关。等直径密实圆球球(内部不含封闭的孔隙内部不含封闭的孔隙)呈立方体排列时有最大的孔隙率，呈立方体排列时有最大的孔隙率，=0.4765，呈菱面体排列时有最小的孔隙率，呈菱面体排列时有最小的孔隙率，=0.2595。混。混合粒级的密实圆球的孔隙率最小可达到合粒级的密实圆球的孔隙率最小可达到=0.039。2 充填骨料充填骨料2.4 充填骨料母岩的强度充填骨料母岩的强度 母岩的强度与岩性、

8、矿物组成、结构、埋深和风化程母岩的强度与岩性、矿物组成、结构、埋深和风化程度等有关，同一类岩石的强度相差较大。母岩的强度度等有关，同一类岩石的强度相差较大。母岩的强度一般是将母岩制成一般是将母岩制成5 55 55cm5cm的立方体的立方体(或或555cm5cm的的圆柱体圆柱体)，在水饱和状态下测得的极限抗压强度值。，在水饱和状态下测得的极限抗压强度值。常用作充填料的母岩强度值见表常用作充填料的母岩强度值见表3-33-3。类别表观密度/tm-3抗压强度/MPa弹性模量/104MPa泊桑比花岗岩2.63602002.328.810.170.25砂岩1.92.9401401.726.080.0910

9、.333石灰岩2.52.9201201.3110.370.25大理岩2.52.9201205.827.690.273表表3-3 母岩的强度母岩的强度2 充填骨料充填骨料2.5 松散充填骨料的沉缩松散充填骨料的沉缩 自然堆积的松散充填骨料，特别是河砂、粗砂和尾砂，自然堆积的松散充填骨料，特别是河砂、粗砂和尾砂，当加入水以后，体积立即发生收缩，因加水而体积的减当加入水以后，体积立即发生收缩，因加水而体积的减少与原体积之比，称为水浸沉缩率。河砂和粗砂的水浸少与原体积之比，称为水浸沉缩率。河砂和粗砂的水浸沉缩率不小于沉缩率不小于5%。设备在初充填的松散充填体表面上运。设备在初充填的松散充填体表面上运行

10、，也会将充填体的表层压实而使体积减少。水力充填行，也会将充填体的表层压实而使体积减少。水力充填的粗尾砂充填体，当其表层脱水以后，铲斗容积的粗尾砂充填体，当其表层脱水以后，铲斗容积3m3的的铲运机在其上运行，可将充填体的表层压缩铲运机在其上运行，可将充填体的表层压缩150200mm，考虑到出矿过程中将铲走部分尾砂，因此铲运机的出矿考虑到出矿过程中将铲走部分尾砂，因此铲运机的出矿作业，可使松散的尾砂充填体表面下降作业，可使松散的尾砂充填体表面下降400500mm。水。水浸沉缩和设备作业而使充填体积的减少，将在下一循环浸沉缩和设备作业而使充填体积的减少，将在下一循环中被充填，故其数量应计入矿山充填工

11、作量之内。细砂中被充填，故其数量应计入矿山充填工作量之内。细砂的湿胀对充填无影响。的湿胀对充填无影响。2 充填骨料充填骨料2.6 松散充填骨料的粒级组成松散充填骨料的粒级组成 充填骨料的粒级组成决定于材料来源和为满足运输需要而对材料所进行的加工。充填骨料的粒级组成决定于材料来源和为满足运输需要而对材料所进行的加工。最大粒级最大粒级管道输送时，水砂充填料的最大粒径不大于管径的1/4，胶结充填料的最大粒径不大于管径的1/5；车辆输送时，块石不大于车箱平面最小尺寸的1/3，不大于溜口最小尺寸的1/3。最小粒级最小粒级在水力充填中主要由脱水构筑物而定，它影响充填料的利用率、强度、流失量和输送方式，2

12、充填骨料充填骨料充填方式充填材料输送设备脱水方式最小粒度/mm分级界限/mm干式充城采空区废石矿车不脱水0*按强度要求汽车干式分层充填机械搅拌的混凝土矿车不脱水00.051汽车大体积充填中与砂浆混合之块石破碎块石皮带不脱水2525汽车水砂充填河砂DR100150管道稻草袋00.1水砂充填山砂178管道秫稭糠15水力充填尾砂水泥浆DR 63150管道纤堆织物00.020.03*指含微量的最细粒级，在该分级工艺中难以剔除。分级分级界限界限充填骨料因充填工艺要求而需剔除部分细粒级的工艺称为脱泥。分级脱泥所获得的筛上产品，当其累计产率达到95%时的该粒级称为分级界限(即d5)。例如，某矿尾砂分级所获得

13、的粗尾砂，其+0.03mm的粒级达到95%，则称其分级界限为0.03mm，表表3-4 最小粒径和分级界限最小粒径和分级界限2 充填骨料充填骨料砂的细度模数砂的细度模数按其细度模数而将砂分为4类，见表3-5类别粗砂中砂细砂特细砂细度模数f3.73.13.02.32.21.61.50.7，通过0.16m筛量不大于30%表3-5 砂的细度模数分类(JGJ52-92)116543215)(f（3-2）式中之1、2、3、4、5、6分别为5、2.5、1.25、0.63、0.315、0.16mm筛上的累计筛余产率。对于特细砂，增加0.08mm筛余7。某试样的粒级组成如表3-6，属细砂，因为：18.20105

14、)72.060.045.028.013.0(f平均粒径平均粒径2 充填骨料充填骨料dp=dii 按照表3-6之粒级组成，dp=1.046mm。（3-3）粒级/mm+5-5-2.5-1.25-0.63-0.315-0.16-0.08-0.04-0.02粒级di/mm53.751.8750.940.4730.2380.120.060.030.01产率i00.130.150.170.150.120.080.100.070.03累计产率c00.130.280.450.600.720.800.900.971123456表3-6 某试样的粒级组成颗粒均匀度系数颗粒均匀度系数颗粒均匀度系数Cu，用以表征松散

15、材料的颗粒组成的均匀程度。1060ddCu（3-4）d6060%的松散材料能够通过的筛孔直径，mm；d1010%的松散材料能够通过的筛孔直径，mm。2 充填骨料充填骨料01234500.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0率产d5d10d50d60d90粒级/mm图3-2 粒级曲线图根据粒级组成，采用半对数座标或普通座标，可将某试样的粒级组成绘成曲线，如图3-2所示。从图中可以找出d5=0.03mm，d10=0.04mm，d50=0.52mm，d60=0.81mm，d90=2.78mm。Cu值愈大，表示粒级组成愈不均匀，有利于小颗粒进入大颗粒之间的空隙而形成较密实的充填体，

16、一般要求Cu5。根据图3-2，Cu=d60/d10=0.81/0.04=20.252 充填骨料充填骨料比表面积比表面积经磨细的粒径相当均匀的物料，常用比表面积Sa（m2/kg)来表征其粒级特点，即每千克物料的所有颗粒的表面积之和。相对密度2.65的等直径圆球，其比表面积和在静水中下沉1m所需大概时间如表3-7所示。圈球直径/mm物料名称比表面积/m2kg-1下沉1m所需时间10.0砾 石226310-40.9秒1.0粗 砂226310-39秒0.1细 砂226310-2110秒0.02泥226310-11.5时0.001细 菌22631007天0.0001胶体粒子22631012.5年0.00

17、001胶体粒子226310219年0.000001颜色粒子2263103200年表表3-7 等直径圆球的比衰面积和沉降时间等直径圆球的比衰面积和沉降时间第一部分第一部分 充填材料及充填质量控制充填材料及充填质量控制充填骨料充填骨料2改性材料改性材料4常用充填材料的来源及分类常用充填材料的来源及分类3 1胶凝材料胶凝材料3 3充填体的力学特性充填体的力学特性6充填体的含水与脱水充填体的含水与脱水3 5充填质量控制充填质量控制3 73 胶凝材料胶凝材料水泥水泥 水泥是一种磨细的水硬性胶凝材料，加入适量水后，成为塑性浆体，能在空气中硬化，也能在水中硬化。当与砂、石等松散材料拌合后，能牢固地将它们粘结

18、在一起，形成具有一定强度的整体。水泥按用途可分为普通水泥、专用水泥和特种水泥。按其矿物成份可分为硅酸盐水泥、铝酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、少熟料或无熟料水泥。充填工作常采用普通水泥，是由硅酸盐水泥熟料与不同掺入量的混合材料配制而成。普通水泥有以下6种(GB175-92，GB1344-92，GB12958-91)。硅酸盐水泥硅酸盐水泥3 胶凝材料胶凝材料凡由硅酸盐水泥熟料、凡由硅酸盐水泥熟料、05%石灰石或粒化高炉矿渣、适量石灰石或粒化高炉矿渣、适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料，称为硅酸盐水泥。它有两石膏磨细制成的水硬性胶凝材料，称为硅酸盐水泥。它有两种类型，不掺混合材料的称种类型，不掺混合材料的称

19、型硅酸盐水泥，掺入不超过水型硅酸盐水泥，掺入不超过水泥质量泥质量5%石灰石或粒化高炉矿渣的称石灰石或粒化高炉矿渣的称型硅酸盐水泥。我国型硅酸盐水泥。我国生产的硅酸盐水泥分生产的硅酸盐水泥分6种标号，即：种标号，即：42.5，42.5R，52.5，52.5R，62.5及及62.5R（R为早强型）。为早强型）。普通硅酸普通硅酸盐水泥盐水泥用硅酸盐水泥熟料加少量混合材料与适量石膏磨用硅酸盐水泥熟料加少量混合材料与适量石膏磨细而成的最常用的硅酸盐水泥，代号细而成的最常用的硅酸盐水泥，代号PO。3 胶凝材料胶凝材料混合掺合料(活性与非活性共掺)615(非活性10)非活性掺合料610活性掺合料615普通硅

20、酸盐水泥中的混合材料掺量普通硅酸盐水泥中的混合材料掺量按质量百分比计不得超过下列数值：按质量百分比计不得超过下列数值：我国生产的普通硅酸盐水泥的标号有32.5、32.5R、42.5、42.5R、52.5和52.5R等 矿渣硅酸盐矿渣硅酸盐水泥水泥由硅酸盐水泥熟料加粒化高炉矿渣及适量石膏磨细而成，简称矿渣水泥，代号PS。我国标准中规定，粒化高炉矿渣的掺量按质量计可达2070%。也允许用石灰石、窑灰、粉煤灰和火山灰质混合材料中任一种材料代替部分矿渣，数量不得超过水泥质量的8%，以上述材料代替部分矿渣后，水泥中高炉矿渣含量不得低于20%，矿渣水泥的比重较小、水化热较低、耐蚀性较好，但泌水率高，早期强

21、度低。我国生产的矿渣水泥主要标号有17.5、22.5、32.5、32.5R、42.5、42.5R等。3 胶凝材料胶凝材料火山灰质硅火山灰质硅酸盐水泥酸盐水泥 由硅酸盐水泥熟料加入火山灰质混合材料及适量石膏磨细而成，简称火山灰水泥，代号PP。我国标准中规定，这种水泥中的火山灰质混合材料的掺量按质量计为2050%。其主要标号有17.5、22.5、32.5、32.5R、42.5和42.5R，其性质与矿渣水泥相近。粉煤灰硅粉煤灰硅酸盐水泥酸盐水泥由硅酸盐水泥熟料与粉煤灰和适量石膏磨细而成，简称粉煤灰水泥，代号PF。我国标准规定，粉煤灰水泥中的粉煤灰掺量按质量计为2040%。粉煤灰水泥的性质与火山灰水泥

22、相近。但需水量比火山灰水泥少，和易性和抗硫酸盐侵蚀性较好，适合用于大体积混凝土，如三峡大库主要使用的就是粉煤灰水泥。简称复合水泥，由硅酸盐水泥熟料和简称复合水泥，由硅酸盐水泥熟料和2 2种或种或2 2种以上规定的种以上规定的混合材料混合材料(指有技术条件和标准的混合材料指有技术条件和标准的混合材料)，加入适量石，加入适量石膏磨细制成。复合水泥中混合材料掺加量按质量百分计大膏磨细制成。复合水泥中混合材料掺加量按质量百分计大于于15%15%，但不超过，但不超过50%50%。允许用不超过。允许用不超过8%8%的窑灰代替部分混的窑灰代替部分混合材料。掺矿渣时混合材料量不得与矿渣硅酸盐水泥重复。合材料。

23、掺矿渣时混合材料量不得与矿渣硅酸盐水泥重复。3 胶凝材料胶凝材料复合硅酸盐水泥复合硅酸盐水泥普通水泥的相对密度33.15t/m3。堆积密度(例如在叶轮给料机或螺旋给料机内)1.0t/m3。紧密密度1.31.6t/m3，计算水泥仓仓容时取1.3t/m3，计算水泥仓载荷时取1.6t/m3。水泥贮存时间过长将会降低其活性，贮存3个月活性降低820%，贮存6个月，活性降低1429%，贮存一年活性降低1839%。普通水泥的定义和标号、质量标准和适用范围见表3-8，表3-9，表3-10，表3-11。3 胶凝材料胶凝材料表表3-8 普通水泥的定义、组成和标号普通水泥的定义、组成和标号3 胶凝材料胶凝材料表表

24、3-8 普通水泥的定义、组成和标号普通水泥的定义、组成和标号3 胶凝材料胶凝材料表表3-9 普通水泥的质量标准普通水泥的质量标准3 胶凝材料胶凝材料3 胶凝材料胶凝材料高水速凝固结材料高水速凝固结材料3 胶凝材料胶凝材料高水材料由高水材料由甲料甲料和和乙乙料料等量配合而成。等量配合而成。甲料由特种水泥熟料、由特种水泥熟料、缓凝剂、悬浮剂等组缓凝剂、悬浮剂等组成。成。乙料由石膏、石灰、由石膏、石灰、悬浮剂、速凝剂等组悬浮剂、速凝剂等组成。成。高水速凝固结材料高水速凝固结材料(以下简称高水材料以下简称高水材料)是一种是一种类 似 英 国 生 产 的 高 铝 型 的 称 为 特 克 派 克类 似 英

25、 国 生 产 的 高 铝 型 的 称 为 特 克 派 克(Tekpak)的新型水硬性胶凝材料。国产高水材的新型水硬性胶凝材料。国产高水材料由中国建材研究院、中国矿业大学北京研究料由中国建材研究院、中国矿业大学北京研究生院、武汉工业大学北京研究生院等单位先后生院、武汉工业大学北京研究生院等单位先后研制成功，高水材料的最大优点是能在很小的研制成功，高水材料的最大优点是能在很小的体积固液比体积固液比(Gv=0.10.15)时，在时，在530分钟内分钟内凝结、硬化，最终形成一种有一定强度的高含凝结、硬化，最终形成一种有一定强度的高含水固体。高水材料的最佳使用场合是煤矿沿空水固体。高水材料的最佳使用场合

26、是煤矿沿空留巷的充填袋式支护，以及堵漏、灭火、封闭留巷的充填袋式支护，以及堵漏、灭火、封闭巷道、壁后充填等任务，现已在部分金属矿山巷道、壁后充填等任务，现已在部分金属矿山胶结充填的中使用。胶结充填的中使用。3 胶凝材料胶凝材料甲料成分甲料成分可供高水材料选用的特种水泥熟料有高铝、硫铝、铁铝等水泥熟料。以它们配制的甲料分别称为高铝型、硫铝型及铁铝型甲料。硫铝型熟料以石膏为诱导，有效地抑制了惰性钙黄石(C2AS)矿物的生成，减少了活性成份CaO、Al2O3的消耗，促进了活性矿物型硅酸二钙的生成。与高铝型熟料比较，它对原料、燃料的质量要求不高，烧成温度低、烧成温度范围广，不易在运转窑内结圈，以及熟料

27、易磨 性 好 等 优 点，因 此 国 内 各 厂 均 以 生 产 硫 铝 型 熟 料 为 主。硫铝型熟料用石灰石、矾土、石膏和矿化剂等为原料，在11001280的温度范围内烧成。乙料成分乙料成分石膏采用不溶性的天然硬石膏(CaSO4)，一般要求含结晶水小于5%。石灰易于从空气中吸收水份，因此应采用新制石灰，CaO含量大于75%。悬浮剂由膨润土、赤泥、粉煤灰等组成，从而使乙料与水混合后料浆有较好的可泵性。缓凝剂能使甲料与水制成的料浆有较长时间的可泵性，悬浮剂能提高甲料的固体颗粒在料浆中的分散性和悬浮 性，避免沉淀泌水现象。3 胶凝材料胶凝材料高水材料的水化硬化机理高水材料的水化硬化机理高水材料与

28、2.5倍的水制成的料浆能迅速凝固的关键是其水化过程中生成了含 大 量 结 晶 水 的 钙 矾 石 和 含 有 吸 附 水 的 硅 酸 凝 胶 和 铝 酸 凝 胶。C4A3S()+2(CaSO42H2O)+34H2OE+2(Al2O33H2O)C4A3S()+2(CaSO42H2O)+6CaO+80H2O3E2CaOSiO2+mH2OxCaOSiO2yH2O+(2-x)Ca(OH)23Ca(OH)2+3(CaSO42H2O)+Al2O33H2O+20H2OE3 胶凝材料胶凝材料高水材料的水化硬化机理高水材料的水化硬化机理由于甲料和乙料是分别制浆和输送，为防止早凝宜在充填点之前才将两种料浆混合。均

29、匀混合也是达到应有强度的一个重要条件。高水材料可以达到的质量指标见表3-12。生产厂长铝水泥厂英国Fosroc公司国内其他水泥厂水灰比2.5:12.5:12.5:1可泵时间/h242424初凝时间/min15201530抗压强度/MPa2h2.01.21.50.822.1424h4.53.53.71.374.4372h5.01.525.0最终5.54.35.01.625.0表表3-12 高水材料的质量指标高水材料的质量指标3 胶凝材料胶凝材料高水材料的特性高水材料的特性早期强度高体积膨胀吸水量大特性特性3 胶凝材料胶凝材料重结晶性重结晶性3 胶凝材料胶凝材料后期强度较低后期强度较低高水材料在以

30、水灰比22.5的净浆充填时最终强度约为5MPa，此时高水材料用量约为300450kg/m3。若以等量32.5标号水泥以相同水灰比制成的砂浆，其最终强度很难达到5MPa，而早期强度很低。但普通水泥砂浆充填料在大体积的块石胶结充填时具有优势，因不要求早期强度，砂浆的脱水也不是一个问题，仅要求砂浆能渗入到块石的间隙中和后期强度较高。3 胶凝材料胶凝材料高水材料的稳定性高水材料的稳定性高水材料的吸水量大和早期强度高的关键性水化产物是钙矾石。而钙矾石的稳定性问题尚无明确结论，总的来说受环境因素影响很大。钙矾石结晶完好，属三方晶系，为柱状结构。其所含32H2O占钙矾石总体积的81.2%，质量的45.9%。

31、u在矿井的一般湿热条件下，在矿井支护的有限服务期限内，水灰比2.5的高水材料净浆的袋装充填体，其稳定性是不必怀疑的。而高水材料与尾砂组成的充填体，水灰比达到45，充填体内三分之二以上的水以自由水和吸附水的形式存在，当大面积暴露于矿井大气中，自由水的流出和蒸发，可能使充填体的表面发生“风化”或碳化（粉化）。风化层中存在大量的碳酸钠、碳酸钙、硫酸钙等矿物，钙矾石基本消失，从而使充填体强度大幅度降低。3 胶凝材料胶凝材料高水材料的稳定性高水材料的稳定性15105010015010203063C66C74C84.5C97C113C114C脱水时间/h结晶水含量/mol50C图图3-3 钙矾石在常压和一

32、般湿度条件下的脱水曲线钙矾石在常压和一般湿度条件下的脱水曲线图3-3为钙矾石在50C144C间的脱水曲线。可见在50C时已有少量结晶水脱出；74下脱水相当强烈；在97C经过5小时后会失去20摩尔的结晶水；而当温度达113C144C后，很快成为8水钙矾石。根据X线衍射分析，在74C下，钙矾石的晶体结构已被破坏。而有的试验指出，在100C110C以下，钙矾石能稳定存在。而环境的相对湿度大，相应的脱水温度会提高。当相对湿度达90%，温度达到100C时也无显著变化。3.3 全水胶固材料全水胶固材料 3 胶凝材料胶凝材料为克服高水材料双管输送的缺点，西北矿冶研究院开发了单为克服高水材料双管输送的缺点，西

33、北矿冶研究院开发了单料、单管输送的全水胶固材料。当水灰比为料、单管输送的全水胶固材料。当水灰比为0.71.5时，能将时，能将料浆固化，其初凝时间不早于料浆固化，其初凝时间不早于30分，终凝时间不少于分，终凝时间不少于2小时。小时。但不能单独使用，主要用于金属矿的全尾砂胶结充填。但不能单独使用，主要用于金属矿的全尾砂胶结充填。全水胶固材料的化学和矿物成份全水胶固材料的化学和矿物成份n全水胶固材料的化学成份如下：CaO(3070%)，SiO2(1030%)，SO3(825%)，Al2O3(1025%)。n主要矿物为石膏、铝酸一钙、铝酸三钙、二铝酸一钙、硅酸三钙、硅酸二钙等n主要水化产物为钙矾石、氢

34、氧化钙凝胶、水化硅酸钙凝胶和铝酸凝胶等。全水胶固材料的强度指标全水胶固材料的强度指标3 胶凝材料胶凝材料某金矿的全尾砂的相对密度为3t/m3，堆积密度1.565t/m3。主要化学成份为SiO2(48.95%)，CaO(26.70%)，Al2O3(11.96%)，Fe2O3(7.08%)，S(4.10%)等。主要矿物为：石英(34%)，方解石(25%)，长石(19%)，绢云母(8%)，绿泥石(6%)，高岭石(5%)等。粒度较细，-200目占56.3%。其最大粒径0.25mm，平均粒径0.087mm，d10=0.017mm，d60=0.077mm，颗粒均匀度系数Cn=4.53。序号质量浓度灰砂比凝

35、结时间/min抗压强度/MPa3d7d28d10.651:4301.172.22.5120.651:5400.951.21.9630.651:8550.430.721.0540.651:10650.400.530.6950.651:15900.150.190.32表表3-13 强度试验结果强度试验结果3 胶凝材料胶凝材料序号受力类型强度值/MPa附注1d3d7d28d1抗压3.094.355.136.00水灰比0.92抗剪1.662.052.252.693抗拉0.190.250.280.34表表3-14 净浆固化后的强度净浆固化后的强度当水灰比为0.9时，全水胶固材料的净浆固化后的强度见表3-

36、14。从上述两表也可看出，影响强度的主要因素有灰砂比和料浆的浓度（亦即水灰比）。0.450.50.50 0.55 0.600.650.701.01.52.02.53.03.5重量浓度抗压强度/MPa图图3-4 质质量量浓浓度度与与抗抗压压强强度度图3-4为灰砂比为1:5，龄期28天的抗压强度与砂浆浓度之关系。3 胶凝材料胶凝材料02468101201.01.52.02.53.0灰砂比抗压强度/MPa灰 砂 比1:51:51:51:81:81:81:101:101:10质量浓度0.600.650.700.600.650.700.600.650.70沉缩率/%10.56.24.911.110.17

37、.212.711.66.5全水胶固材料固化料浆拌合用水的水灰比约为1.5。而满足输送要求，尾砂浆用水量按水灰比计可能大大超过此数。多余的水将以吸附水和自由水的形式存在，并有泌水现象和采场排水问题。料浆的体积与料浆固化后的体积之间的沉缩率见表3-15。图图3-5 3-5 砂灰比与抗压强度砂灰比与抗压强度 表表3-15 3-15 全水胶固材料的料浆的沉缩率全水胶固材料的料浆的沉缩率灰 砂 比1:51:51:51:81:81:81:101:101:10重 量 浓 度0.600.650.700.600.650.700.600.650.70材料用量/kgm-3全水胶固材料194.9212.0238.91

38、33.1148.3165.2112.1124.2135.2全 尾 砂974.51060.01194.51064.81186.41321.61121.01242.01352.0水779.6685.0614.6798.1719.3637.2822.9734.8637.43 胶凝材料胶凝材料表表3-16 充填每充填每m3采空区的材料消耗采空区的材料消耗全水胶固材料的稳定性全水胶固材料的稳定性全水胶固充填体在井下暴露后的风化深度在1个月内为6mm，3个月为13mm。当充填体的服务期限为35月时，这种充填体是稳定的。3.4 工业废渣活性材料工业废渣活性材料3 胶凝材料胶凝材料为节省胶凝材料的费用，广泛采

39、用各种活性材料，例如粉煤灰、高炉矿渣、炼铜反射炉渣、熟石灰等，它们具有潜在胶凝活性。其特点是就近采购工业废渣活性材料，散装运到充填站，在站内进行加工，磨细至一定细度，在水化反应环境里可表现出胶凝活性，因此将其添加入充填料中，送入井下进行充填，可替代部分水泥。粉粉煤煤灰灰粉煤灰是烧煤的火力发电厂的锅炉炉灰和烟道收尘的飞灰等两部分组成。前者经磨细后一般采用水力排至灰库，后者收集在灰仓内，因此采运相当方便。将粉煤灰用于充填，不但可以减少胶凝材料的费用，而且对环境保护也有重大意义。粉煤灰的化学成份因煤的品种和其化学成份而异。3 胶凝材料胶凝材料煤种化学成分/%烧失量/%水分/%总计SiO2Al2O3F

40、e2O3CaOMgO义马煤53.3332.916.093.930.612.2999.16平顶山煤50.7827.9610.387.851.211.1899.36开滦煤60.1628.705.563.650.810.9099.78峰峰煤52.9630.326.824.211.1l2.9998.41大同煤53.2538.646.303.981.194.450.2499.05表表3-17 我国部分煤种的粉煤灰化学成分及烧失我国部分煤种的粉煤灰化学成分及烧失量量 粉煤灰的主要技术指标为细度、颗粒形状、相对密度、堆积密度、需水量和活性等。粉煤灰的细度与其捕集方法及分级方法有关。通常以粉煤灰的细度与其捕集

41、方法及分级方法有关。通常以通过通过0.045mm方孔筛的筛余量或比表面积来表示粉煤方孔筛的筛余量或比表面积来表示粉煤灰的细度。粉煤灰的细度直接影响其活性。一般而论灰的细度。粉煤灰的细度直接影响其活性。一般而论，粉煤灰的颗粒愈细，其潜在活性愈大。普通原状粉，粉煤灰的颗粒愈细，其潜在活性愈大。普通原状粉煤灰的比表面积约为煤灰的比表面积约为200300m2/kg，磨细的粉煤灰的，磨细的粉煤灰的比表面积为比表面积为300700m2/kg。3 胶凝材料胶凝材料粉煤灰的相对密度约为1.82.6t/m3，堆积密度约为6001000kg/m3，紧密密度约为10001400kg/m3。粉煤灰的需水量主要取决于其

42、细度、颗粒形状、颗粒表面状态。一般常以粉煤灰的需水量与硅酸盐水泥需水量之比来评价此项指标。粉煤灰的潜在活性是以其火山灰活性指标来表示。它主要取决于其化学成分、玻璃相含量、细度、颗粒形状及颗粒表面状态。火山灰活性指标是以掺粉煤灰的试验砂浆平均强度与标准砂浆平均强度的比来求得的。粉煤灰依其颗粒细度分为原状灰和磨细灰，依其排放方式分为干排灰和湿排灰。粉煤灰的品质因煤种和燃料条件的不同而有很大的差别。充填作业所使用的粉煤灰多为湿排灰，散装运输干排灰也因易受潮而使品质下降。胶结充填料中粉煤灰的掺入量应通过试验确定，并按规定进行随机抽样检验。3 胶凝材料胶凝材料根据GB1596-91，粉煤灰分为三级，见表

43、3-18。序号指标级 别1细度(0.045mm方孔筛筛余)/%不大于1220452需水量比/%不大于951051153烧失量/%不大于58154含水量/%不大于11不规定5三氧化硫含量/%不大于333表表3-18 粉煤灰的分级及品质指标粉煤灰的分级及品质指标注：代替细集料或用以改善混凝土或砂浆和易性的粉煤灰不受此规定所限，即品质指标可以稍低些。全水胶固材料的稳定性全水胶固材料的稳定性磨细的炼铁高炉矿渣已广泛用于制造矿渣水泥。我国大中型钢铁厂的高炉磨细的炼铁高炉矿渣已广泛用于制造矿渣水泥。我国大中型钢铁厂的高炉矿渣已基本作为水泥工业原料。矿山欲用矿渣作胶凝材料，只有寻求地方矿渣已基本作为水泥工业

44、原料。矿山欲用矿渣作胶凝材料，只有寻求地方小炼铁厂的矿渣或炼钢渣、炼铜反射炉渣等。对矿渣的磨细程度、掺入量小炼铁厂的矿渣或炼钢渣、炼铜反射炉渣等。对矿渣的磨细程度、掺入量等应通过试验确定。等应通过试验确定。3 胶凝材料胶凝材料矿渣分酸性矿渣和碱性矿渣。矿渣的碱度愈高，矿渣分酸性矿渣和碱性矿渣。矿渣的碱度愈高，活性愈大。矿渣的胶凝性能用四元碱度活性愈大。矿渣的胶凝性能用四元碱度Mo，二元，二元碱度碱度(活性率活性率)Ma和质量系数和质量系数K来表征。来表征。322OAlSiOMgOCaOMO232SiOOAlMa2232TiOSiOMgOOAlCaOKMgOTiOSiOOAlCaOK223210

45、四元碱度 二元碱度 当MgO含量小于10%时 当MgO含量大于或等于10%时 上诸式中之氧化物均以含量百分数计。Mo1属碱性，Mo1时属酸性。对于用于胶结充填的矿渣，至少应达到：Mo0.65，Ma=0.170.25，K1.6，并可加入46%的水泥、石膏或石灰作活化剂。3 胶凝材料胶凝材料3.5 磁黄铁矿和黄铁矿磁黄铁矿和黄铁矿发生均匀氧化的条件发生均匀氧化的条件充填骨料充填骨料(炉渣和尾砂炉渣和尾砂)的配比和粒级组成的配比和粒级组成有利于空气流通和水的渗透有利于空气流通和水的渗透磨细的磁黄铁矿的用量为充填骨料的磨细的磁黄铁矿的用量为充填骨料的310%310%水的含量应达到固体质量的15%在选矿

46、过程中，磨细的黄铁矿和磁黄铁矿，由于密度较大，在分级脱泥时进入粗尾砂中，使充填用的尾砂含硫量达12%，甚至高达5%。加拿大诺兰达矿业公司和沙利文矿的经验证明：磁黄铁矿与空气中的氧和水份发生缓慢的氧化反应的生成物，能将充填骨料胶结成稳固的充填体。3 胶凝材料胶凝材料对于用磨细的磁黄铁矿作胶凝材料应持慎重态度，必须通过生产试验方能定论。硫是一种充填作业中的有害成份。在矿井条件下，硫的缓慢氧化会逸出SO2、H2S气体，并释放热量。硫化矿物氧化所生成的SO4()离子，对水泥和其它胶凝材料又有破坏作用。当浓度达到150010000mg/L时，生成的硫铝酸盐晶体(3CaOAl2O33CaSO431H2O)

47、和二水石膏(CaSO42H2O)，体积增加2倍以上，使充填体内产生内应力，最终导致开裂或崩解。国家标准JGJ53-92中规定混凝土集料中的硫化物、硫酸盐换算成SO3计，按质量不得大于1%。对于充填材料而言，由于服务时间短，对硫的含量可适当提高。另一种有效途径是在充填料中添加粉煤灰，笔者在安徽新桥矿业公司和广西高峰矿业公司高硫尾矿作为胶结充填料时，利用粉煤灰成功解决了这一问题并已获得发明专利。当硫的含量大于5%时，应通过试验查明其有害程度，并在矿井通风和安全方面有所考虑。第一部分第一部分 充填材料及充填质量控制充填材料及充填质量控制充填骨料充填骨料2改性材料改性材料4常用充填材料的来源及分类常用

48、充填材料的来源及分类3 1胶凝材料胶凝材料3 3充填体的力学特性充填体的力学特性6充填体的含水与脱水充填体的含水与脱水3 5充填质量控制充填质量控制3 74 改性材料改性材料4.1 水水胶凝材料需要水实现水化反应。水又是絮凝剂和外加剂的溶剂或载体。因此水中所含杂质对胶凝材料的性能有影响。矿井酸性水多来源于硫化矿物的氧化，酸水中的SO4()离子侵蚀水泥后而产生的难溶的硫酸盐类晶体，发生体积膨胀使混凝土破坏。项目预应力混凝土钢筋混凝土素混凝土pH值不小于444不溶物/mgL-1不大于200020005000可溶物/mgL-1不大于2000500010000氯化物(以CI一计)/mgL-1不大于50

49、012003500硫酸盐(以计SO4-计)/mgL-1不大于60027002700硫化物(以计SO4-计)/mgL-1不大于100表表3-19 混凝土拌合用水的质量标准混凝土拌合用水的质量标准根据JGJ63-89的规定，用于制备混凝土的拌合水的质量标准见表3-19。4 改性材料改性材料类 别pH值水泥尾砂比质量浓度抗压强度/MPa1d4d14d28d90d碱性矿井水10.11:60.680.2251.422.222.4工业水7.21:60.680.1370.941.872.04碱性矿井水10.11:200.650.2250.300.52工业水7.21:200.650.210.250.42表表3

50、-20 碱性水对砂浆强度的影响碱性水对砂浆强度的影响弱碱性的矿山工业用水，使水泥尾砂胶结料的强度略有升高，见表3-20。类 别抗 压 强 度/MPa灰砂比1:8灰砂比1:20 龄 期/d28902890潮 湿 养 护1.0211.4050.1900.276海 水 养 护0.9041.1420.1370.222强度下降/%11.4618.727.919.6表表3-21 3-21 海水养护对强度的影响海水养护对强度的影响 用海水制作素混凝土要遵照有关规定。一般而论，海水的含盐总量不得超过5000mg/L。它的早期强度较高，但28天以后的强度要下降。对于能否用海水制作水泥尾砂胶结料，要通过试验确定。