干湿循环下复合激发膏体充填材料宏-细-微观强化与损伤特性

为探明盐-碱复合激发膏体充填材料的性能变化规律及干湿循环作用下充填体结构多尺度损伤机制,对以脱硫石膏和水泥熟料为复合激发剂的膏体充填材料进行多目标优化,并对最优配比下的充填体试块进行0~25次干湿循环,开展抗压强度、X射线衍射(XRD)、低场核磁共振(NMR)、扫描电镜(SEM)试验,揭示充填体宏观力学行为和微细观结构演化规律。研究结果表明:充填材料最优配比是矿渣掺量为50%,脱硫石膏与水泥熟料质量比为3:7,硅灰掺量为2.5%。随着干湿循环次数的增加,充填体宏观表现为抗压强度的折减及累积电导率升高,干湿循环10次时出现拐点,质量损失率和强度损失率分别达极小值-1.91%和-8.36%;在细观尺度上,T2谱反演良好,干湿循环作用10次后,横向弛豫时间逐渐右移且谱面积增大,表明膏体充填材料孔隙尺寸及数量随着干湿循环次数增加而增大;微观尺度上,钙矾石、石膏和方解石等侵蚀产物的膨胀结晶应力加速了微观孔隙结构的发育,反复干湿循环作用削减了C-S-H凝胶的黏聚力,由最初的堆叠蜂窝状劣化为小块状。综合宏、细、微观结构演变规律可知,孔隙结构的损伤演化与力学性能的劣化特征具有较好的同步性。

大宗煤基固废膏体充填材料少水化配比优化研究

为解决西部采煤区固废多、处理难的问题,以宁东矿区的脱硫石膏、粉煤灰、水泥为主要原料,对原料的微观形态及少水配比的煤基固废膏体充填材料的成分进行分析,以初期流动性、脱模后7 d和28 d的抗压强度为指标进行充填材料配比优化。设计了3因素3水平17组配比方案,建立响应面回归模型,分析单因素及多因素交互作用对少水充填材料强度和流动性的影响。研究结果表明,粉煤灰与水泥质量比是影响少水充填材料强度的重要因素,料浆质量分数是影响少水充填材料流动性的重要因素。少水配比的煤基固废膏体充填材料的最优配合比:脱硫石膏质量分数53%,粉煤灰与水泥质量比2∶1,料浆质量分数74%。波速与强度的响应关系表明,可以利用充填体的波速来预测其强度。

高掺量气化渣膏体充填材料强度性能研究

针对目前矿井采空区充填成本高、煤-电-化工业产生的大量以气化渣为主的煤基固废处理难的矛盾,以宁夏鸳鸯湖电厂产出的气化渣为研究对象,探究高掺量气化渣膏体充填材料的强度性能。研究以气化渣为骨料,水泥为胶凝剂,前期通过单因素试验确定了气化渣在干料中的掺量、骨胶比、料浆浓度等3种因素的合理范围,利用响应面法设计了17组中心组合试验,探究了3因素以及3因素间的交互作用对膏体充填材料强度的影响规律,建立了3因素与7 d、14 d养护龄期时充填材料强度间的函数关系,优化了膏体充填材料的配比方案。结果表明:骨胶比是影响7 d、14 d强度的首要因素,骨胶比和料浆浓度交互对7 d强度影响最大,气化渣在干料中的掺量和骨胶比交互对14 d强度影响最大。研究得到最优配比参数为:气化渣在干料中的掺量为49.282%,骨胶比为4.554∶1,料浆浓度为81.056%。

矸石电厂粉煤灰基膏体充填材料研究

以矸石电厂粉煤灰为研究对象,通过化学分析、X射线衍射分析、扫描电镜等分析其理化特征的基础上,采用正交试验研究了以活化的矸石电厂粉煤灰为主要原料的膏体充填材料的输送性能和强度特性,并采用扫描电镜对膏体充填材料在不同龄期下的微观结构进行了表征与分析.研究结果表明,灰胶比达到3∶1的充填材料料浆初始坍落度为200 mm,粘聚性和保水性好,静置泌水率3%,初凝时间大于5 h,符合泵送要求.充填材料脱模后的试件8 h能够自稳,3 d和28 d强度为1 MPa和10 MPa左右,满足采空区充填要求.采用活化的矸石电厂粉煤灰制备的膏体充填材料成本低、环保,能为矿区带来经济、社会和环境等效益.

邢台煤矿粉煤灰膏体充填材料的试验研究

根据邢台煤矿实际情况,对粉煤灰膏体充填材料及其选择依据、粉煤灰膏体的配比及其依据等相关问题进行了分析,对充填材料的物理化学性质进行了测定。在满足邢台煤矿要求的情况下确定了充填材料的最优配比范围,并对影响配比的因素进行了分析,可为煤矿膏体充填不迁村采煤技术的应用提供借鉴。

矿山固体废弃物制备高强度膏体充填材料的实验研究

为充分利用矿山固体废弃物进行深部膏体充填开采,以煤矸石、粉煤灰、尾砂和水泥为原料,制备高强度膏体充填材料,采用正交设计手段进行配合比设计,并采用坍落度实验和单轴压缩实验测试了不同配合比条件下膏体充填材料的坍落度、强度和弹性模量,基于实验数据进行了极差分析,探讨了质量分数、水胶比、砂率和粉煤灰用量对膏体充填材料性能的影响,确定了最优配合比。研究结果表明,采用煤矸石、尾砂、粉煤灰和水泥为原料,可以制备高强度满足深部开采要求的膏体充填材料,当质量分数为80%、水胶比为2、砂率为80%、粉煤灰用量为150 kg/m3时为最优配合比,此时坍落度为209 mm,28 d抗压强度为10.40 MPa,弹性模量为7.15 GPa,能够满足深部膏体充填开采的要求。

矿山黄土膏体充填材料的试验研究

膏体充填材料是矿山采空区的主要充填材料,以黄土、粉煤灰为主料,以水泥、石灰碱性材料为辅料,采用5因素、4水平的正交设计方法对黄土膏体充填材料进行试验研究,分析每个因素水平对黄土膏体充填材料的工作性、凝结时间,结石率和抗压强度的影响。试验结果表明:料浆浓度为60%,黄土粉煤灰质量比为1:2,辅料占固料30%,外添加剂占固料质量6%,养护期为28 d时,充填材料在满足工作性,凝结时间和结石率的同时,充填材料的抗压强度最大,为降低充填材料成本提供了新的途径,对实际工程的应用有着重要的意义。

建筑垃圾骨料制备膏体充填材料的正交试验研究

为利用建筑垃圾制备矿山膏体充填材料,以建筑垃圾、天然砂、水泥和粉煤灰为组成材料,采用正交试验手段设计了一个4因素3水平的试验方案,对9种不同配合比的膏体充填材料进行坍落度试验和单轴压缩试验,并对试验结果进行了极差分析,探索了质量浓度、水灰比、砂率和粉煤灰用量4种因素对膏体充填材料的坍落度、单轴抗压强度和弹性模量的影响。试验结果表明:采用建筑垃圾骨料制备膏体充填材料可以在满足坍落度要求的前提下选取较大的质量浓度,对坍落度和压力泌水率影响最为显著的因素是质量浓度,对3d强度和弹性模量影响显著的因素是水灰比和质量浓度,对28d强度和弹性模量影响显著的因素是水灰比和粉煤灰用量;当质量浓度为83%,水灰比为2.5,砂率为65%,粉煤灰用量为250kg/m3时为最优配合比。

宁东矿区气化渣基膏体充填材料性能优化研究

宁东矿区作为黄河流域的9个亿吨煤基地之一,年产出煤基固废近2×10^(8) t且气化渣堆存量大、规模化利用困难、简单填埋处理空间有限,充填开采能解决空间堆存难题,但成本高、性能亟待优化。根据响应面法设计气化渣在固体中的掺量(A)、气化渣与水泥质量比(B)、料浆含量(C)3因素3水平共17组中心组合实验,对气化渣基膏体充填材料的坍落度、扩展度、7和14 d单轴抗压强度等性能进行了对比优化研究。实验前使用X射线衍射仪(XRD)和扫描电镜(SEM)对原料的成分及微观形态进行观测分析,试块单轴压缩后通过SEM观测分析水化作用特点,揭示强度形成机制。综合强度和流动性得到最优配比及其性能特征为:A为48%,B为3,C为80%,脱硫石膏∶煤矸石∶炉底渣的质量按2∶1∶1配制,其7、14 d强度分别为1.15、2.41 MPa,坍落度为133 mm,扩展度为325.5 mm,坍落度与扩展度的比值为0.41。进一步基于响应面法分析得到7、14 d强度的单影响因素按显著性排序分别为:B>C=A、B>A>C;7、14 d强度的交互影响因素按显著性排序分别为:BC>AB>AC、AB>AC>BC;坍落度和扩展度的单影响因素按显著性排序分别为:C>B>A和C>A>B,进而为严控地表沉降、快充减少堵管、强度成本兼顾3种不同功能需求优选了对应配比方案及参数。研究成果为黄河流域的生态保护与煤炭低损伤开采提供了重要基础参数和优化方向。

煤矸石凝石似膏体充填材料的制备及其性能

针对煤矸石大量堆存引起严重的生态环境问题的现状,在仿地成岩凝石思想指导下,以实现煤矸石的大宗高效利用为目的,开展了煤矸石凝石似膏体充填材料的制备及其性能研究。在研究煤矸石物相组成及热力学特性的基础上,研究了煤矸石凝石似膏体充填材料的物理性能和力学性能,并对比研究了水泥混凝土和以煤矸石凝石似膏体充填材料为胶凝材料的混凝土的耐久性能,结果表明,煤矸石凝石似膏体充填材料具有较好的力学性能和耐久性能,可以作为胶凝材料用于矿区似膏体充填。

石灰石粉对胶结膏体充填材料性能的影响

为满足矿山对质优价廉、不同粒度分级尾砂胶结充填材料的需求，以粗、细两种分级尾砂胶结充填材料为对象，研究了外掺粗、细、超细石灰石粉对胶结充填材料性能的影响。结果表明：固体质量浓度为65％的细粒尾砂胶结充填料和固体质量浓度为75％的粗粒尾砂胶结充填料外掺15％的超细石灰石粉，均可制成胶结膏体充填材料，其充填料的坍落度均超过200mm、脱水率均低于2％、28d硬化体的抗压强度在0．3～1．2MPa、28d硬化体沉缩率均低于2％；继续增加超细石灰石粉的掺量，充填料的坍落度和脱水率下降，28d硬化体的抗压强度略有提升、沉缩率进一步下降。如何提高28d硬化体的抗压强度是今后研究的重点。

早强剂对尾砂胶结膏体充填材料早期强度的影响

通过单掺法和复掺法来探究若干无机早强剂对尾砂胶结膏体充填材料的早期强度的影响规律,并解释其早强机理。研究结果表明,碱性早强剂和硫酸盐类早强剂均可提高尾砂胶结充填材料的早期强度;碱性早强剂的早强效果要强于硫酸盐类早强剂,但Na_2O·1.5SiO_2作用效果除外;复掺硫酸盐和碱性早强剂的作用效果均优于单掺的早强效果;经对比,早强效果最好的是Na_2SO_4和NaOH以5%∶5%的比例复掺,使全尾砂胶结膏体充填料3d强度较未掺组提高73.5%,7d强度提高63.8%,28d强度提高25.7%。

煅烧硬质高岭土对铅锌矿溢流尾砂胶结膏体充填材料抗压强度的影响

对煅烧硬质高岭土对铅锌矿溢流尾砂胶结膏体充填材料抗压强度的影响进行了研究。研究结果表明:当胶结剂中煅烧硬质高岭土(Calcined Hard Kaolin,CHK)取代水泥率从0增加到30%时,胶结膏体充填材料(Cemented Paste Backfill,CPB)28d抗压强度基本保持不变;当CHK取代水泥率从30%增加到80%时,CPB的28d抗压强度急剧降低;当CHK取代水泥率低于50%的CPB养护到28d或56d后,其抗压强度大幅度降低;当CHK取代水泥率为50%的CPB养护到180d时,其抗压强度呈增长趋势。CPB抗压强度损失与其内部形成膨胀性物质(石膏)有关。当CHK取代水泥率为50%时,由于降低了胶结剂中水泥熟料的量,CHK中偏高岭土(Metakaolin,MK)和水泥水化产物氢氧化钙的火山灰反应解除或减少了膨胀性二水石膏的形成,结果CPB的180d抗压强度呈增长趋势。

胶结剂种类及掺量对尾砂胶结膏体充填材料性能的影响

对三种胶结剂的不同掺量对粗、细尾砂胶结膏体充填材料性能的影响规律进行了试验研究,并对部分硬化体进行了扫描电镜分析。试验结果表明,无论尾砂是粗或细,均随胶结剂外掺量增加,硬化体7d和28d抗压强度增加,但对料浆析水率影响不大;对于细尾砂,在5%胶结剂掺量下,矿渣基复合胶结剂的胶结强度比纯硅酸盐水泥(包括复合硅酸盐水泥)强;对于粗尾砂,在30%胶结剂掺量下,矿渣基复合胶结剂的胶结强度比硅酸盐水泥弱。扫描电镜分析表明,在胶结膏体充填材料中矿渣基复合胶结剂水化产物比纯硅酸盐水泥水化产物分布均匀,前者比后者显微结构更密实。对胶结膏体充填材料的增强机理分析表明,增加充填集料之间的胶结连结、晶体连结能有效提高充填硬化体强度。结论是要制备低胶结剂掺量的胶结膏体充填材料,分散胶结剂水化产物是有效措施。

减水剂对全尾砂胶结膏体充填材料性能的影响研究

对减水剂对全尾砂胶结膏体充填材料性能的影响进行了研究,采用压汞测孔仪(AutoporeⅣ9500)测定了固化体的总孔隙率和孔径分布。试验结果表明:当料浆坍落度为180mm且水泥掺量分别为3%、5%和7%(以总固体质量计)时,与未掺减水剂相比,掺减水剂能使料浆的固体浓度分别提高4.3%、3.9%和4.1%,能使固化体28d抗压强度分别提高52%、81%和106%。当料浆坍落度为180mm、水泥掺量为5%并且养护龄期为7d、14d和28d时,与未掺减水剂相比,掺减水剂能使固化体抗压强度分别提高46%、90%和81%。结合固化体压汞测孔和抗压强度结果,得出结论:当保持料浆坍落度、水泥掺量和养护龄期相同时,与未掺减水剂相比,掺减水剂能降低固化体的总孔隙率和减小固化体的平均孔径,这可能是减水剂分散了料浆中的水泥和降低了料浆水灰比的复合作用的结果(并且水泥掺量越高或养护龄期越长,复合作用越显著),从而增加了固化体中骨料与骨料之间的黏结程度,因此提高了固化体的抗压强度。

粉煤灰膏体充填材料水化放热特性的微量热测试与分析

采用TAM Air等温微量热仪对8种配比的粉煤灰膏体充填材料的水化放热速率和水化热进行了微量热测试与分析。结果表明:粉煤灰膏体充填材料水化放热速率明显表现出起始、诱导、加速、快速降速、缓慢降速和稳定等6个阶段;随粉煤灰和煤矸石掺量的增加,水化诱导和加速阶段时间延长、但放热速率和水化热降低;在所测材料配比范围内,水胶比对水化放热速率无明显影响,而添加剂仅加速了水化诱导阶段的水化放热速率。基于测试结果,在不考虑与外界热交换的理想条件下,计算出纯水泥、水泥∶粉煤灰=1∶3+添加剂和水泥∶粉煤灰∶煤矸石=1∶3∶5+添加剂等3种材料充填体7 d温度升高的理论预测值分别为69,22.9和10℃。

细粒级全尾砂膏体充填材料性能调控研究

针对传统胶凝材料在细粒级全尾砂膏体充填中存在的充填成本高、充填效果差等问题,研究新型胶结媒介作用下细粒级全尾砂膏体充填材料性能的变化规律。试验结果表明:在新型胶结媒介体系下,尾砂越细,相同条件下膏体充填材料抗压强度越高;细尾砂膏体充填材料在料浆浓度高的情况下,不同灰砂比下抗压强度几乎相同;全尾砂中Al_(2)O_(3)和SiO_(2)含量越高,相同条件下膏体充填材料抗压强度越高;新型胶结媒介用量的变化对膏体充填材料抗压强度影响很小;新型胶结媒介作用下颗粒表面生成针状物质彼此搭接,使膏体充填材料结构密实,产生强度,生成物为钙矾石和含硅化合物。

粉煤灰膏体充填材料性能影响因素试验研究

为了研究物美价廉粉煤灰膏体采空区充填材料,选用粉煤灰、水泥为主料,同时配备一定比例细砂和黄土。通过改变粉煤灰掺量、水泥掺量以及浆液质量浓度,运用正交试验方法研究了不同配比粉煤灰膏体充填材料流动度、初凝时间、粘度及抗压强度等性能参数的变化规律。研究表明:质量浓度是影响充填材料流动度和粘度的主要因素,粉煤灰掺量是影响充填材料初凝时间及后期抗压强度的主要因素,而水泥掺量是影响充填材料早期抗压强度的主要因素。依据试验结果确定了粉煤灰膏体采空区充填材料的最优配比。

尾矿砂膏体充填材料毛细吸水特性试验研究

采用ISAT法与吸水动力学法测试膏体充填材料的毛细吸水特性与孔结构变化情况,结果表明:增大粉煤灰与水泥用量均能降低膏体充填材料的表层毛细吸水性,且粉煤灰的效果更显著;增大粉煤灰与水泥用量均能降低充填体的平均毛细孔径;水泥用量增加,尾砂充填体的孔径均匀性系数减小,且均匀性系数随粉煤灰掺量的增加先增大后减小;确定粉煤灰最优掺量,适当增大水泥用量,能够优化膏体充填材料的孔结构,保证其耐久性能。

红土膏体充填材料及其物理特性试验研究

充填开采是实现矿山安全绿色开采的重要途径,但要求充填材料来源广泛、成本低,且必须能满足充填工艺要求,为开发新型膏体充填材料,以广西百色州景煤矿为工程背景,使用取材方便、成本较低的红土代替粉煤灰,将其与煤矸石,胶结材料混合制成红土膏体充填材料。通过试验测量不同固体材料质量比,不同干料质量分数的红土膏体充填材料的坍落度、扩展度、泌水率,并使用RYL-600剪切流变仪进行单轴压缩试验,测其抗压强度与弹性模量,进而分析红土膏体充填材料的强度特性,以及材料配比与干料质量分数对其性能的影响规律。研究结果表明:同等条件下与传统粉煤灰型充填材料相比,红土型充填材料强度差别不大,并且红土具有成本低、取材方便以及对环境无污染等优势;干料质量分数对充填体强度影响最大,当为80%时性能最优;随着红土掺量增加,充填体强度会降低,数据显示,红土与水泥质量比在1∶1、1∶2、2∶1时均满足充填要求,矸石、红土、水泥质量比为6∶2∶1时,充填材料既符合膏体充填工艺要求,又能减少充填成本。