磷石膏协同多元固废制备矿山充填材料

为解决磷石膏利用率低、对环境危害大与低成本矿山充填材料研制的问题,本文以粉煤灰、钢渣、高炉矿渣为胶凝材料组分,协同磷石膏制备一种新型的磷石膏基矿山充填材料。通过抗压强度、流动度、凝结时间、浸出毒性和微观试验研究了充填材料的工程与环境特性。结果表明:所研制的矿山充填材料的抗压强度、流动度、凝结时间均能满足规范,达到工程应用需求;在养护28 d后,充填材料的重金属元素的浸出浓度都可以满足地下水Ⅲ级标准的要求,不会污染环境和危害人体健康。当钢渣和高炉矿渣的掺量逐渐增加时,抗压强度逐渐升高,流动度和凝结时间逐渐降低;充填材料中主要的水化产物是钙矾石和C—(A)—S—H凝胶,两者都为充填材料提供了主要的强度,且C—(A)—S—H凝胶可以包裹住重金属离子。

基于CT试验的黔北凤冈地区牛蹄塘组含方解石脉页岩的力学行为研究

通过黔北地区牛蹄塘组页岩的岩心观察显示,方解石脉作为天然裂缝的充填物,并在很大程度上影响着页岩的破坏模式,研究含方解石脉页岩的破坏特性对水力压裂过程中裂缝的起裂、扩展行为的预测与工程设计有重要意义。为揭示方解石脉对页岩力学特性和破裂特征的影响,进行0°、15°、30°、45°、60°、75°和90°7种倾角的单轴压缩和声发射试验,并结合CT扫描技术、有限元计算,构建了三维细观数值模型,讨论不同角度方解石脉对页岩的细观破坏过程和力学性能的影响,分析页岩微裂纹的时空演化规律。结果表明:(1)不同方解石脉角度页岩的声发射和应力应变曲线形态变化基本相同,均经历压密阶段、弹性阶段、屈服阶段和峰后破坏阶段等4个阶段,各阶段区分明显,特征强度的变化曲线整体呈“U”形,变化程度不断加快,θ为75°时为最低值;(2)方解石脉显著影响页岩的破坏模式,随着角度的提高,由劈裂破坏转变为劈裂型剪切破坏再到剪切滑移破坏,最终变为劈裂张拉破坏;(3)重构的三维模型和物理试验的表现较为一致,并且能够观察到页岩内部和表面裂纹扩展与贯通过程,声发射的空间分布反映了不同阶段下的压缩、张拉和剪切破坏的单元类型,从微观角度揭示了含方解石页岩的破裂机制;(4)页岩的宏观力学特征同时受方解石和基质的影响,体现了明显的各向异性特征,方解石角度越高,对滑移导向作用越强,试件的力学性能越弱。

电解锰渣协同钢渣制备矿山充填材料及性能研究

针对电解锰渣(EMR)与钢渣(SS)资源化利用以及EMR含重金属,对环境造成严重污染的问题。以EMR和SS为原料,氢氧化钠为激发剂,制备电解锰渣/钢渣基矿山充填材料。研究了EMR与SS不同配比对浆液流动度、凝结时间、抗压强度的影响;利用XRD、SEM、EDS手段探讨充填材料的微观特性;毒性浸出试验考察重金属的固化效果。结果表明:EMR添加量的增加降低了浆液流动度和凝结时间,并且有利于形成更多的胶凝产物来填充孔隙,降低孔隙率,提高抗压强度。在EMR与SS质量比为5∶2时,56 d抗压强度最大,为16.3 MPa。水化产物主要为钙钒石、C—(A)—S—H和N—A—S—H复合凝胶。毒性浸出试验表明所制备的充填材料不会产生重金属和氨氮污染,锰离子以H_(2)Mn_(8)O_(16)·2.4H_(2)O形式得到稳定。

基于CT扫描的含方解石脉填充页岩损伤破裂数值仿真试验

为研究黔北地区牛蹄塘组的含方解石脉填充页岩的破裂演化过程,通过CT扫描获取页岩内部的图像,采用阈值分割技术辨别出页岩基质与方解石脉,结合RFPA-3D数值仿真软件重构页岩三维数值模型,并对4个角度的方解石脉页岩进行单轴压缩数值模拟试验。试验结果表明:页岩的力学性质随方解石脉倾角呈现出明显的各向异性,其中方解石脉为0°时抗压强度达到最大值45.05 MPa,方解石脉为60°时抗压强度达到最小值37.02 MPa。含方解石填充页岩试样在单轴压缩下表现出多种破坏模式,分别为沿方解石脉的剪切滑移破坏、多条沿方解石脉的复合破坏和“V”型拉伸剪切复合破坏。研究成果对方解石脉填充的页岩储层裂缝起裂和扩展预测具有重要的参考价值。