高水充填材料的制备技术研究要点.doc

高水充填材料的技术研究我国煤矿开采普遍采用自然垮落法管理顶板、处理采空区，已造成严重的环境问题，地表塌陷、建筑物压煤、地下水资源破坏、煤矸石环境污染等问题尤为突出。为适应可持续发展的要求，2003年，钱鸣高院士依据循环经济的思想，提出了“绿色开采”技术的概念，其基本内涵是防止或尽可能减轻煤炭开采对环境和其它资源的造成的不良影响，其目标是取得最佳的经济效益和社会效益，其中的主要内容就包括充填开采技术。一、 国内煤矿充填开采研究进展矿山充填有数百年的历史，但有计划的充填并作为一种技术发展在国外有近60年的历史，国内则是近40年的事，而且主要在金属矿发展的比较快和成熟。金属矿山充填经历了干式充填、水砂充填、胶结充填和全尾砂胶结充填等四个发展阶段，国内煤矿的充填开采是在金属矿山充填开采的基础上发展而来的，分为膏体充填开采和高水充填开采。1、膏体充填开采国内投入较大，采用充填技术较早的是太平煤矿。该矿从2003年开始先后投入6000多万元，料浆制备和输送采用德国技术，以泗河河砂、电厂粉煤灰加专用胶结料和水配制成膏状料浆，泵送至井下充填空区。新矿集团的孙村煤矿则以破碎的陶化煤矸石经过粗碎和细碎后的新鲜煤矸石为主料，添加粉煤灰和早强剂配制成似膏体料浆，通过自流方式进行充填。河北邢台矿也进行了膏体充填的试验研究，充填主料为粉煤灰。该矿进行的另一项试验研究是半饱和矸石与粉煤灰充填。方法是将矸石与粉煤灰以适当的比例混合后，通过投料系统、井下运输系统运至采煤工作面，再通过充填机充填到采空区，由捣实机进行捣实，达到解放建筑物下压煤并控制覆岩运动及地表沉陷的目的。从充填技术看，国内煤矿与金属矿有着显著的不同。一是大多选用膏体或似膏体充填，二是充填主料主要是煤矸石和粉煤灰。原因可能在于：一是膏体或似膏体充填在金属矿的应用比较成熟，二是煤矿充填区的挡墙制做和密封困难，膏体或似膏体充填的防渗堵漏压力小，一般的编织袋挡墙即可满足要求；三是煤矿没有金属矿的尾矿，但煤矸石排放量大，粉煤灰的资源不难获得。但这种充填方法存在三个突出问题：（1）充填料接顶困难，充填效果差。由于膏体或似膏体料浆流动性差，很难保证充填均匀，尤其在部分顶板塌落后，充填效果更难保证。“接顶”本来就是充填的难题，对薄煤层空区充填，采充比自然偏大，难以达到控制地表沉陷的目的。（2）输送成本高。煤矿资源不像金属矿体那样相对集中在较小的范围，平面延展的范围通常很大，充填料需要长距离输送，不得不采用泵送方式的膏体或似膏体充填势必增加充填成本。（3）矸石破碎增加充填成本。为了满足制浆和输送要求，以矸石为充填主料的充填不得不采用破碎方式将矸石破碎或棒磨为碎细料，因而引起充填成本的提高。2、高水充填置换开采高水充填开采技术开始于20世纪 90年代，最初应用于国内的黄金矿，后不断推广应用在煤矿的高水巷旁充填支护。从20世纪 90年代开始，先后在鹤壁、平顶山、开滦、淮北、邢台、峰峰等矿务局推广使用。由于高水充填巷旁支护速度快、施工方便、扩巷效果好、劳动强度低，曾给我国的巷旁支护技术带来了一场技术革命。 高水巷旁支护应用时，一般按水固比2.5：1制成甲、乙浆液，用灌浆泵双管路输送到采煤工作面后方，混合后进入保留巷道采空区一侧充填袋内，浆液在充填袋内凝结固化形成 0.71.0m宽巷旁充填支护带及时支护顶板、保护巷道。然而，这种高水材料生产及运输成本较高，其充填体强度还显略低，因此这项技术需进一步完善和提高。几乎同时，由徐州矿务局庞庄煤矿开发并应用的另一种高水充填材料则很好的解决了这一问题。该材料为高水灰渣充填材料，高水灰渣充填材料成本较低，相对强度较高，抗风化性能较好。最近，这一技术由淄博王庄煤矿进行了改良，已成功得到应用。王庄煤矿开发的高水充填材料以粉煤灰为主料，以水泥、生石灰、石膏的混合物为固化剂，两者加水混合做成加气混凝土，利用自重输送到充填工作面。这一材料因具有膨胀功能，可实现自动接顶，特别适合于薄煤层充填。二、淄矿集团充填开采的研究情况淄矿集团现在的主采煤区处于城市周边，人口稠密，地表沉陷、村庄和城市建设压煤问题突出，严重制约了公司煤炭产能的扩大和效益的提升，另外，地下水污染和煤矸石堆放所带来的环境问题也很明显。淄矿集团非常重视村庄压煤开采问题，从2007年开始，淄矿集团在岱庄煤矿进行试点，开发了固体废物膏体充填开采技术，一方面希望通过膏体充填开采技术实现岱庄煤矿条件下能够在不迁村、少赔偿的前提下安全、高效、高采出率地回收传统条带开采不能解决的条带煤柱，保证矿井可持续发展；另一方面希望通过膏体充填开采技术的实施，对于新采区不再采用条带开采，而直接采用长壁工作面膏体充填无煤柱不迁村开采，既可靠保证地面村庄建筑物，又最大量地采出煤炭资源。2009年，淄矿集团埠村煤矿对高水充填开采技术进行了研究，主要目的一是解决村庄及地面建筑物的压煤、回收煤柱问题，二是解决受承压水威胁煤层安全开采问题，从而延长矿井服务年限。埠村煤矿地处济东煤田中南部，现有可采煤层6层，其中9、10层煤炭资源量为5354.4万吨，占全矿保有资源量的86%，然而，这两层煤层受承压水威胁严重，如何安全开采出这些煤炭资源成为制约矿井发展的一大难题。由于煤层平均厚度仅为1m左右，又有一定倾角，很难采用膏体充填开采技术。集团公司和埠村煤矿经过先期的调研和论证，认为采用高水充填置换开采技术可以解决这一问题，并认为可以首先在911采区先行先试，待技术成熟后再大面积推广。高水充填置换开采技术中最重要的问题是充填材料，本研究的目的就是制备适合高水充填开采工艺所要求的充填材料。三、开展研究的工作面情况911采区位于埠村煤矿西区9-1煤首采区。地面位于山后寨以南，危山北麓，对应的地表建筑主要为圣井广场、圣井镇、山后寨村、309国道。地势南高北低，标高97.1121.47m。采区上限标高-240m,下限标高-384m。采区走向1200m、倾斜宽750m，面积900000m2。煤层直接顶为五灰，厚2.3m，灰色致密，含海百合茎化石，其上为沙质页岩，厚6.64m，为灰黑色，含砂少，垂直节理发育。煤层直接底为细砂岩，厚2.43m，深灰色，石英长石质砂岩，水平层理，老底为细砂岩，厚5.99m，灰色长石英砂岩，矽泥质胶结。西区911采区共布置8个回采工作面，2004年7月首采面9110工作面采用走向条带（工作面倾斜长度40m）进行试采，7月31日13时该工作面推采33m时初次来压，后部顶板跨落，工作面发生突水，水量达334.8m3/h。后进行了注浆封堵，于2005年8月恢复生产，并改用倾向小条带进行开采，根据工作面水文地质条件确定采留比（工作面里段采6 m留10 m、外段采15 m留25 m），2006年3月该面安全回采结束。采区其他回采工作面采用倾向小条带开采，采留比分别为采6 m 留10、采15m留25 m、采15 m 留20m、采20 m留20 m，已于2009年8月安全回采结束。采区共计采出原煤59.16万吨，尚有36万吨煤柱储量。四、高水充填材料的性能要求高水充填材料必须具备良好的性能，才能用于煤矿充填置换开采，具体来说应具备以下基本性能：1、强度煤层开采后留下采空区，若不充填任何物质，地压则会显现，出现突水和地面塌陷。充填材料必须具有适当的抗压强度和抗变形能力才可控制和适应围岩变形。一般来讲，充填材料固化后若能达到煤的自身强度，则能较好地堵水和抵抗地层压力。不同煤种的抗压强度不同，一般在2MPa左右，因此，固化后的充填材料的抗压强度应超过2MPa。2、输送能力好的充填材料还必须使用方便，采煤工作面都在井下几百米，充填材料必须具有良好的流动能力，才能满足长距离输送要求。更好的是，不采用外加设备，利用材料自身重力自流输送。这样，要求材料有高的输送倍线，好的材料要有10以上的输送倍线。3、合适的固化特性所谓的固化特性主要是指材料的初凝时间和终凝时间。我们知道，较高的输送能力必然要求输送时材料的粘度不大。在操作时，输送过程是在充填材料初凝前完成的，这就要求充填材料具有较长的初凝时间，以便于输送过程的控制。材料充填后，输送过程完成，这时，则需要材料快速凝结固化，产生强度，以满足控制承压水和支撑顶底板的需要，这样就要求材料的终凝时间尽可能的短。4、较低的成本合适的充填材料不仅施工简单，性能优越，还应当具有较低的成本，与采煤成本相比，应具有明显的优势，这样充填开采在经济上才是可行的。5、较高的安全性和稳定性充填材料的具有压裂后再胶结性能和良好的抗风化性能是保证充填体长期发挥作用的前提，因此，研究并掌握高水充填材料的基本性能非常重要，是成功应用高水充填材料所必须的。 五、高水充填材料的主要原料粉煤灰高水充填材料的主要原料为粉煤灰、水泥、生石灰、石膏、发泡剂和水等。原料种类、原料来源和品质决定了材料制备的配方和工艺，也决定了充填材料的基本性能，因而，原料对充填材料至关重要。现对主要原料及其作用进行简单论述。1、粉煤灰粉煤灰是煤粉或含煤矸石经高温燃烧后形成的一种似火山灰质混合材料。粉煤灰本身略有或没有水硬胶凝性能，但当其以粉状并有水存在时，能在常温，特别是在水热处理(蒸汽养护)条件下，与氢氧化钙或其他碱土金属氢氧化物发生化学反应，生成具有水硬胶凝性能的化合物，成为一种增加强度和耐久性的材料。粉煤灰的活性与它的化学组成和物理状态有关。粉煤灰的化学组成与粘土质相似，主要成分是SiO2和Al2O3，还含有少量的FeO、Fe2O3、CaO、TiO2、MgO、K2O、 Na2O、SO3、MnO2等氧化物成分。SiO2、TiO2来自黏土或岩页；Fe2O3主要来自黄铁矿；MgO和CaO来自与其相应的碳酸盐和硫酸盐。其主要化学组成见下表。表1 我国粉煤灰的化学组成成分SiO2Al2O3Fe2O3CaOMgOSO3Na2OK2O烧失量范围,%34.365.7614.5940.121.5 16.220.446.800.23.720.006.000.104.230.022.140.6329.97均值50.828.16.23.71.20.81.20.67.9粉煤灰的活性主要来自活性SiO2(玻璃体SiO2)和活性A12O3 (玻璃体A12O3)在一定碱性条件下的水化作用，因此，粉煤灰中活性SiO2、活性A12O3和f-CaO(游离氧化钙)都是活性的有利成分。S在粉煤灰中一部分以可溶性石膏(CaSO4)的形式存在，它对粉煤灰早期强度的发挥有一定作用，因此，粉煤灰中的硫对粉煤灰活性也是有利组成。粉煤灰中的钙含量在3%左右，它对胶凝体的形成是有利的。国外把CaO含量超过10%的粉煤灰称为C类灰，而低于10%的粉煤灰称为F类灰。C类灰其本身具有一定的水硬性，可作水泥混合材，F类灰常作混凝土掺和料，它比C类灰使用时的水化热要低。粉煤灰中少量的MgO、Na2O、K2O等生成较多玻璃体，在水化反应中会促进碱硅反应。但MgO含量过高时，对安定性带来不利影响。粉煤灰中的未燃炭粒疏松多孔，是一种惰性物质不仅对粉煤灰的活性有害，而且对粉煤灰的压实也不利。过量的Fe2O3对粉煤灰的活性也不利。表2 粉煤灰的基本物理特性项 目密度/（g/cm3）堆积密度/（g/cm3）比表面积（cm2/g）原灰标准稠度/%需水量/%28d抗压强度比/%氮吸附法透气法范 围1.92.90.5311.261800195001180653027.366.7891303785均 值2.10.7803400330048.010666粉煤灰的物理性质中，细度和粒度是比较重要的项目，它直接影响着粉煤灰的其它性质。粉煤灰越细，细粉占的比重越大，其活性也越大。粉煤灰的细度影响早期水化反应，而化学成分影响后期的反应。粉煤灰的细度常用筛余率表示，劣质粉煤灰筛余率比原来生产中使用的粉煤灰大得多。劣质粉煤灰平均颗粒大、活性低，在生产过程中容易下沉，浇注稳定性与保水性差，有可能塌模，且制品强度低。2、水泥水泥是粉状水硬性无机胶凝材料，加水搅拌后成浆体，能在空气中硬化或者在水中更好的硬化，并能把砂、石等材料牢固地胶结在一起。按主要水硬性物质不同，水泥可分为硅酸盐水泥（国外通称波特兰水泥）、铝酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、铁铝酸盐水泥、氟铝酸盐水泥、以火山灰或潜在水硬性材料及其它活性材料为主要组分的水泥等六类。通常用的水泥则为硅酸盐水泥，它又可分为硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥和复合硅酸盐水泥，最常用的是硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥。硅酸盐水泥的化学成分为CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3，其中硅酸钙矿物不小于66%，CaO和SiO2质量比不小于2.0。硅酸盐水泥的主要性能指标有：（1）比重与容重：普通水泥比重为3，容重通常采用1300kg/m3。（2）细度：指水泥颗粒的粗细程度。颗粒越细，硬化得越快，早期强度也越高。硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥以比表面积表示，一般不小于300m2/kg；矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥和复合硅酸盐水泥以筛余表示，80m方孔筛筛余不大于10%或45m方孔筛筛余不大于30%。（3）凝结时间：水泥加水搅拌到开始凝结所需的时间称初凝时间。从加水搅拌到凝结完成所需的时间称终凝时间。硅酸盐水泥初凝不小于45min，终凝不大于390min；普通硅酸盐水泥初凝不小于45min，终凝不大于600min。（4）强度：硅酸盐水泥的强度等级分为42.5、42.5R、52.5、52.5R、62.5、62.5R六个等级，普通硅酸盐水泥的强度等级分为42.5、42.5R、52.5、52.5R四个等级。表3 各种标号的水泥强度数据1(硅酸盐水泥)强度,Mpa标号抗 压 强 度抗 折 强 度3天28天3天28天42.517.042.53.56.542.5R22.04.052.523.052.54.07.052.5R27.05.062.528.062.55.08.062.5R32.05.5表4 各种标号的水泥强度数据2（普通硅酸盐水泥）强度,Mpa标号抗 压 强 度抗 折 强 度3天28天3天28天42.517.042.53.56.542.5R22.04.052.523.052.54.07.052.5R27.05.0（5）体积安定性：指水泥在硬化过程中体积变化的均匀性能。水泥中含杂质较多，会产生不均匀变形。（6）水化热：水泥与水作用会产生放热反应，在水泥硬化过程中，不断放出的热量称为水化热。（7）标准稠度：指水泥净浆对标准试杆的沉入具有一定阻力时的稠度。3、生石灰高水充填材料制备中，石灰主要提供有效氧化钙，在水热条件下与氧化硅、氧化铝反应，以形成强度；保持碱度，使铝粉产生发气条件，促进发气反应。此外，石灰水化反应过程放出大量热，能提高料浆温度，加速料浆稠化，有助于充填料的固化。生石灰的主要成分是氧化钙（CaO），它的品位高低直接影响充填材料的质量。生石灰的质量主要指其消解特性和有效钙含量。欠烧或过烧生石灰都将极大地影响浇注的稳定性，还会造成掺量的提高，加气混凝土的生产一般都要求采用中速石灰。选择消解速度为lOmin15min、消解温度7O90、磨后粉状生石灰中的有效CaO含量为65以上的产品。如果受当地材料限制，只有快速灰，可采取磨前滴加三乙醇胺溶液助磨或添加35废浆或按比例添加石膏进行混磨等方式，以有效减缓快速石灰的消解，使料浆浇注后的稠化与发气相协调，避免坯体稠化后憋气。一般情况下，应调节生石灰的用量。4、石膏石膏是生产石膏胶凝材料和石膏建筑制品的主要原料，也是硅酸盐水泥的缓凝剂。石膏对石灰的消化有抑制作用，因而使加气混凝土料浆稠化时间延长。石膏过多时，有可能影响气泡的稳定，发生冒泡和收缩下沉，甚至料浆不能稠化而发生不稳定现象。石膏的主要化学成分是硫酸钙（CaSO4），自然界常以二水石膏（CaSO42(H2O)）的形式存在，理论组成(wB%)：CaO 32.5，SO3 46.6，H2O +20.9。成分变化不大，常有粘土、有机质等机械混入物，有时含SiO2、Al2O3、Fe2O3、MgO、Na2O、CO2、Cl等杂质。5、膨胀剂水泥膨胀剂是一种化学外加剂，加在水泥中，当水泥凝结硬化时，随之体积膨胀，起补偿收缩和张拉钢筋产生预应力以及充分填充水泥间隙的作用。实际上，水泥膨胀剂是利用轻金属(主要是铝粉，近年来使用铁粉、铝粉等)与碱性水泥起化学反应，产生氢气，而使水泥体积膨，起提高水泥强度的作用，故亦有人称为水泥发泡剂。应具备下列性质：（1）发泡速度要适当，过快过慢都会影响混凝土质量。（2）生成的氢气气泡直径要小而且分散均匀。尤其是水泥浆全容积状态下浇注入模，更需分散均匀，才能保证浇模质量。（3）产生气体时不得影响水泥的凝结和固化。如果延缓水泥凝结，会招致水泥强度下降或产生水泥异常凝结现象。六、高水充填材料的配方设计经过对高水充填材料的主要原料分析，我们可以看出，高水充填材料的水化反应与水泥的水化反应很类似，由粉煤灰提供活性的氧化硅和氧化铝，即所谓的硅质材料，而主要由生石灰提供氧化钙，即所谓的钙质材料。1、高水充填材料反应机理高水充填材料的反应机理为：（1）具有活性的生石灰与水反应生成氢氧化钙，在强碱条件下，粉煤灰中的活性组分氧化硅和氧化铝等与钙离子反应生成水合硅酸钙凝胶或钙矾石，生石灰在这一过程中既是激发剂，又参与了反应。（2）石膏中的钙离子延缓了生石灰的消化，同时也延缓了氧化铝与氧化钙的作用，总体上起到了缓凝剂的作用，使高水充填材料料浆初始稠化时间延长。（3）在强碱条件下，水泥膨胀剂（主要是铝粉）与碱发生反应，生成氢气，从而使高水材料具有膨胀性。高水充填材料水化反应的结果是生成了水合硅酸钙、钙矾石、氢氧化钙和硫铝酸钙等无定形或结晶态物质，与水泥的水化产物类似，因而具有一定的强度。强度的大小与水料比、固化剂的配比等紧密相关。2、王庄煤矿基本配方分析加气混凝土和王庄充填材料的强度分别可以达到10MPa和23MPa，这两者的基本配方如下：加气混凝土基本配方种类粉煤灰水泥生石灰石膏膨胀剂水加入量，固体料%65707101519350.0760注：该配方获得的材料固结后强度约10MPa，膨胀率30%。王庄充填材料基本配方种类粉煤灰固化剂膨胀剂水加入量，吨2220.0230注：该配方获得的材料固结后强度约23MPa，膨胀率10%20%。从上面的两个配方表中可看出，王庄煤矿对加气混凝土的配方进行了大幅的调整：（1）水灰比大幅提升，从0.6增加到1.2，减少了固体料的用量，利于降低成本；（2）大幅降低了固化剂的用量，从固体量30%减少到0.083%，同样有利于降低成本；（3）由于大幅提高了水灰比和降低了固化剂的用量，因此要保证充填材料有足够的抗压强度，材料的膨胀率降低，以保持材料有足够的密度；（4）由于固化剂的用量大幅降低，因此，固化剂中水泥的含量可能很少或没有，而生石灰的用量会明显增加。这样，我们可以按照以下思路来设计充填材料的工艺配方：（1）首先对埠村矿周边的原料进行简单分析，获得原料基本性能数据，然后在加气混凝土和王庄配方的基础上调整配方，做出试块。（2）分析试块的抗压强度、固化特性、膨胀率、流动性能等与配方之间的关系，并与充填材料要求的基本性能进行对比，进而改进优化配方。3、充填材料的性能分析及控制（1）充填材料的凝固特性充填材料的凝固特性是指其凝结时间，包括初凝时间和终凝时间。考虑到采煤工作面的生产方式、管路输送时间、拆模时间等因素，必须选用具有合适初凝时间和终凝时间的材料配方。从充填工艺的要求来看，长的初凝时间和短的终凝时间对充填工艺控制有利。高水充填材料的水化反应与水泥水化反应类似，因此，可以通过改变固化剂的配方予以调整，加入缓凝剂和改变硫酸钙的加入量，可有效调整充填材料的初凝时间和终凝时间，以满足充填的需要。另外，环境温度对初凝时间和终凝时间也有影响，所以，冬天施工和夏天施工的配方应该有所区别。（2）充填材料的输送能力充填材料的输送能力与充填材料的稠度有关，稠度大，充填能力弱；稠度小，充填能力强。充填过程是在充填材料的初凝时间前进行的，因此，充填材料在其初凝时间前的稠度变化对充填能力影响重大。充填材料的稠度变化与充填材料的反应过程紧密相关。从实际来看，料浆在初凝时间前的稠度变化可分为4个阶段：第一阶段：稠度曲线较陡，浆液发生微稠变化。因为料浆由干料加水制成，可认为这是干料充分吸收水分的阶段，化学反应尚未进行。第二阶段：稠度变化缓慢，表明自由水的体积含量没有显著变化，发泡反应尚未开始，可认为此段时间为初期反应阶段。第三阶段：稠度再次变陡，发生较大的下降，表明自由水有较大的消耗或体积含量降低，可认为这是化学反应急剧进行，消耗大量水分，产生大量气泡，料浆快速膨胀的阶段。第四阶段：稠度再次缓慢，表明造气反应基本停止，开始转入固化阶段。实际的充填施工应选择料浆稠度变化平缓且较小的阶段进行。另外，只要控制好两罐料之间的间隔时间，及时冲洗管内存料，可以保证正常输送，不会堵管。（3）充填材料的固化强度充填材料固化后的强度与所用原料品质和水灰比有关，原料品质等级高，水灰比小，材料固化后强度就大；反之，材料固化后强度则小。（4）膨胀过程控制在高水材料充填过程中，膨胀剂的发气反应要满足工艺和安全的要求。充填材料在混合搅拌中以及后面的输送过程中不能大量发气，否则一会造成输送能力的下降，二会造成材料稳定性不佳；也不能在凝固的后期大量发气，否则会因压力造成充填材料的开裂。较理想的情况是在料浆充填到工作面后均匀发气，充填稳定进行，完成自动接顶。要做到充填稳定，实质上就是使料浆的稠化和铝粉发气同步进行且相互匹配的过程。在料浆充填到工作面后，料浆中的固体颗粒被大量的水分开，料浆较稀，极限剪应力较小，而铝粉与生石灰消解产生的氢氧化钙反应生成的氢气气泡不断胀大，推动料浆的膨胀。只要料浆有一定粘度，并且稠化速度跟得上铝粉的发气速度，料浆就会顺利膨胀，整个料浆体系就处于一个稳定状态。当料浆的稠化跟不上发气速度，料浆中固体粒子下沉速度过快，将使料浆出现严重泌水，料浆上部极限剪应力不但不上升，反而徘徊下降，气泡大量合并上浮，从而引起整个料浆体系的不稳定，严重时会导致沸腾（气泡从料浆表面大量逸出）。当料浆稠化过快，则发气不畅，会导致憋气、沉陷、裂缝。（1）影响发气速度的因素a. 铝粉的发气速度与铝粉的种类和颗粒组成有关，如果铝粉过细，则其发气时间将大大提前，在此情况下，如果料浆太稀，保气能力太差，就可能发生严重冒泡。b. 碱浓度和料浆对铝粉的发气速度有重要影响，料浆中的碱浓度和料浆温度越高，铝粉反应越快。碱浓度和料浆温度的影响与生石灰的品质和加入量有关，石灰中有效氧化钙(ACaO)含量的多少及消解温度的高低直接影响铝粉的发气速度。以石灰为钙质材料时，如果石灰的品质变化幅度不大，铝粉的掺量即大体恒定。只有当石灰品质变化范围太大而需增减料浆量和石灰掺量时，才需要调整铝粉掺量以调整发气速度和容重。 c. 实验表明，石膏会显著延缓铝粉的发气进程。在使用石膏作调节剂的高水充填材料中，石膏用量是否恰当，不仅关系到充填材料固化性能，而且也会影响发气进程。d. 铝粉的加入时机和搅拌时间也对发气速度有影响，前者可调控铝粉与碱溶液接触的时间，以调节铝粉开始发气的时机，后者则通过铝粉液搅拌时间的长短来调控铝粉的发气速度。为了使铝粉发气在适当的稠度条件下进行，显然应当选择一个适当的时机。发气过早则料浆太稀，发气过晚则料浆太稠，对铝粉发气和料浆膨胀都不利。一般情况下在全部干料搅拌3min后投入铝粉液，在5s内全部投完。并在搅拌45s60s后进行快速充填。(2) 影响料浆稠化速度的因素a. 水泥的品种与用量会影响料浆的稠化速度，但在采用以生石灰为主的混合钙质材料时，水泥对料浆的稠化速度不起主导作用，但水泥用量的增加，在一定程度上会延缓稠化，但会显著提高充填料固化后的强度。生石灰的性能和用量对料浆稠化速度影响很大，特别值得注意的是生石灰的消解温度、消解时间、氧化钙含量等因素，对整个料浆系统的温度增长速度和稠化速度通常起决定性作用。如果所用生石灰的消解时间太短，则料浆稠化太快，反之，如果生石灰消解时间太长，则料浆稠化太慢。料浆稠化的快慢在其他因素不变的前提下，主要与生石灰的质量有关。粉煤灰也对料浆的稠化速度有重要影响。影响稠化速度的是粉煤灰的细度和矿物组成。粉煤灰的筛余率越小，活性氧化硅和氧化铝的含量越大，料浆稠化速度越快。在一般情况下，水料比小，料浆稠密化过程中黏度增长的速度快，达到稠化的时间短；水料比大，料浆黏度增长速度慢，达到稠化的时间长。然而，当所用原料固定，需要的材料强度一定，水灰比基本也就固定，所以，实际情况下，水灰比的影响很小。石膏对石灰的消化有抑制作用，因而使加气混凝土料浆稠化时间延长。石膏过多时，会影响气泡的稳定，发生冒泡和收缩下沉。搅拌工艺对料浆稠化的影响主要表现在搅拌强度和搅拌时间上。在有限的时间内，能否将加气混凝土料浆充分搅拌均匀，水泥、石灰等胶凝材料能否均匀分布到料浆的每个微小空间内，关系到料浆能否均匀稠化和硬化。强力搅拌还可以对物料起到再分散的作用，防止结团，促进反应促进料浆的流动性。在生产中，搅拌强度的差异对料浆的均匀性和稳定性有重要影响。搅拌时间不仅关系到料浆的均匀性，而且在一定程度上决定着料浆充填时的初始黏度，从而调整料浆稠化速度与铝粉发气速度之间的关系。当铝粉发气快，料浆稠化速度较慢时，可以适当延长搅拌，使料浆稠化过程的起点高一些；反之，则可以适当缩短搅拌时间，以降低料浆的初始稠度去适应铝粉发气的需要。在搅拌强度不够的情况下，可用延长搅拌时间的办法来达到搅拌均匀的目的。（一）、工艺配方分析1、 充填工艺王庄煤矿的充填工艺如下：吊挂充填袋-制作挡墙-清管-输送充填料-充填清管拆除挡墙。粉煤灰、水-湿式储罐搅拌- 径流缓冲搅拌槽-固化剂、膨胀剂-固化剂储罐搅拌- 王庄煤矿充填工艺流程简图其中，充填站主要由搅拌型湿式粉煤灰储罐、固化剂储罐、缓冲搅拌槽和控制器等4部分组成。图3.1是地面充填站的两个主料罐及卸料情况。制浆过程分三步：第一步是粉煤灰浆预制：首先按配比要求把水压入湿式粉煤灰储罐，再用压风把粉煤灰输入罐中，同时进行搅拌，搅拌均匀后待用。第二步是固化剂配料制备：按配比要求将固化剂送入固化剂储料罐，并进行径流搅拌，搅拌均匀后备用。第三步是料浆搅拌制备：打开粉煤灰浆储罐阀门，将粉煤灰浆注入搅拌槽进行搅拌。根据粉煤灰浆的流量计量，控制固化剂的给料速度和给料量，在搅拌过程中加入发泡剂和缓凝剂等。搅拌均匀后制成充填料浆，开启下部阀门料浆即可进入输送系统。该工艺流程操作简单，投资成本较低，充填效率很高，我们完全可以借鉴。然而，要实现这一充填工艺，必须制备适合的充填材料。七、研究所需要的设备编号设备名称数量设备状态1水泥胶沙搅拌机1已有2三联模9已有3标准养护箱1已有4标准稠度仪15万能试验机1已有6膨胀仪17流动能力测试装置1八、研究内容本研究目的是制备适合薄煤层充填置换开采的高水充填材料，为煤矿井下充填开采工业试验作准备。研究内容如下：1、选择合适的材料种类和来源，制备不同配比的高水充填材料。2、研究充填材料性能与材料配方的关系，选择成本合适、性能优越的材料配方。3、建立地面模拟试验场所，进行地面充填模拟试验。4、设计充填材料生产工艺，选择生产设备。九、研究时间安排1、2010年5月4日2010年9月1日，进行材料配方研究，选择合适配方。2、2010年9月1日2010年12月31日，进行地面模拟试验，检验材料充填性能，设计充填材料制备工艺和设备。