矸石充填材料应力应变特征实验研究

为掌握矸石充填材料应力应变特征,选取云冈煤矿3组粒径80 mm以下原生矸石试样,同时设计6组不同粒径级配的矸石试样,加工大直径加载容器,采用TAW-3000型电液伺服控制材料试验系统进行了压缩实验。结果表明:矸石压缩过程可分为应变快速增长、非线性增长和缓慢增长3个阶段;应变主要由矸石块体的移动、破碎而导致块体之间空隙被填充引起,而并非矸石本身变形所致;相同轴向应力下,应变随试样中的小粒径矸石占比增加而减小,随大粒径矸石占比增加逐渐增大;原生组矸石试样应变处于设计级配组的中间范围。实验得到矸石试样应变与小粒径矸石占比的关系式,可为矸石充填开采设计研究提供参考。

高浓度煤矸石胶结充填材料骨料级配优化研究

骨料占充填料浆体积的2/3左右,是影响胶结充填材料性能的重要因素。综合利用扫描电镜SEM、EDS能谱分析、X荧光光谱分析(XRF)、X射线衍射分析和傅里叶变换红外光谱(FTIR)五种微观分析手段,对煤矸石骨料的微观形貌、元素组成、氧化物含量和矿物组成进行了分析探究。该煤矸石的成分和矿物结构决定了其具有一定的强度,作为胶结充填材料骨料使用能够产生良好的骨架强度。为改善煤矸石胶结充填材料的流动性和可泵送性,对煤矸石破碎骨料的颗粒级配进行了筛分析试验,并利用ORIGIN软件对颗粒级配进行非线性回归分析。借鉴混凝土配合比设计的经典理论,对煤矸石破碎骨料进行了优化设计,优化后的骨料级配递减指数n=0.4093,<0.3 mm的骨料占比为17.67%。试验对比了经优化的骨料和未优化的骨料配制的胶结充填材料的工作性和凝结硬化后的强度,经优化了的骨料配制的胶结充填材料流动性更好(坍落度为260 mm,扩展度为590 mm)、泌水率低(仅为4.3%)、凝结硬化后的强度合适(28 d抗压强度为5.81 MPa),工作性能与未经过优化的胶结充填材料相比性能有了很大的提高。研究配制的高浓度煤矸石胶结充填材料在晋能控股某矿采空区进行了充填施工,充填材料易于泵送,管输顺畅,未发生堵管现象。

侧限压缩试验下矸石充填材料的变形特性及其颗粒分布研究

为研究侧限压缩试验条件下矸石充填材料的变形特性及其颗粒分布关系,以抚顺西露天矿矸石为研究材料,选取矸石颗粒粒径为0~5mm、0~10mm、0~20mm、5~10mm、5~20mm和10~20mm的6组矸石充填材料,采用自制的钢桶,通过侧限压缩试验研究压缩过程中矸石变形特性;对压缩后矸石进行筛分试验,研究其颗粒分布特征;同时,采用分形维数进一步描述破碎矸石的颗粒分布状况。结果表明:不同粒径级矸石充填材料受压过程中,应力应变关系呈现对数分布关系。压缩初期为矸石充填体变形发展阶段,随着载荷的增加,矸石充填材料变形趋于稳定,0~20mm矸石粒径组合应变值最低;连续级配矸石对比非连续级配矸石表现出更稳定的粒径变化特征;在双对数坐标系下,矸石质量与粒径的夹角为8°~12°,矸石受压过程中分形维数变化幅度稳定;0~20mm矸石粒径组合分形维数的极差最小。

矸石胶结充填材料中硫酸根离子扩散规律

为研究矿井水中硫酸根离子在胶结充填材料中的扩散规律,将经不同浓度硫酸盐侵蚀不同龄期的试件取出后进行分层取样,并采用化学试验法测定试样中硫酸根离子含量,依据Fick第二定律计算硫酸根离子扩散系数。结果表明:随着外部硫酸盐浓度增加,试件内硫酸根离子含量增加,硫酸根离子的扩散系数逐渐增大;碳酸氢根离子和镁离子的存在会影响硫酸根离子扩散速度,且碳酸氢根离子的影响作用大于镁离子;硫酸盐侵蚀过程中生成石膏和钙矾石,堵塞孔隙,改变离子的扩散路径,前期会快速降低离子扩散速度,随着反应时间的增加,反应产物增多,扩张裂缝,使得离子扩散速度缓慢降低。

不同粒径级配矸石充填材料压缩性能试验研究

矸石充填材料的粒径级配对其压缩性能有较大的影响。将粒径100mm以下矸石进行分级,按照中等粒径占比基本相同、大粒径占比逐渐增大、小粒径占比逐渐减小的原则设计了6组不同粒径级配方案,在模拟200m埋深覆岩压力条件下,采用内径405mm钢制大容器装载高度为250mm的矸石充填材料进行了压缩实验。结果表明矸石充填材料压缩过程可分为初步压实、破裂压密和整体稳定压实3个阶段,压缩量随轴向压力增加呈幂指函数关系增长,压缩量增加速率随轴向压力增加而减小,相同压力下压缩量随试样中小粒径占比减小而增加。得出了本实验条件下矸石充填材料压缩量(S)与小粒径占比(p)的关系式:S=111.57-0.70p。

基于矸石固体最优粒径级配的充填开采等价采高研究

等价采高理论是分析充填开采岩层移动控制效果的重要方法。通过分析矸石固体充填开采等价采高各组成部分数值大小,得出降低矸石充填材料压缩率是减小等价采高的有效手段,而获取矸石最优粒径级配是关键。将粒径100 mm以下矸石分为五级(100~75 mm、75~50 mm、50~25 mm、25~13 mm和13~0 mm),基于连续级配理论-泰波理论,按照级配指数n=0.3~0.7设计了五组不同粒径级配方案,模拟400 m埋深覆岩应力条件下,采用内径380 mm钢制大容器装载高度为240 mm的矸石固体充填材料进行了压缩实验。结果表明:应变随轴向应力增长而增长,应变增加速率随轴向应力增长而减小,级配指数n=0.5方案应变最小。依据其应变-应力拟合关系式得到最小等价采高表达式,为分析矸石固体充填开采岩层移动控制效果提供了定量依据。

受底板承压水威胁矸石浆充填工作面沿空留巷的矿压观测研究

矸石浆充填体作为巷帮支护材料,护巷效果显著,它对巷道围岩的活动,特别是对巷道顶底板移近起到了很好的控制作用。该文针对曹庄煤矿现场矿压观测结果,首个矸石浆充填工作面沿空留巷的矿压显现特征进行了分析和研究。

三向加载下粒径级配对矸石压缩特性的影响

为研究粒径级配对矸石充填材料压缩性能的影响,优化充填开采的工程效果,利用自主研制的矸石三向加载系统,对16种不同粒径级配矸石充填材料进行三向加载试验,分析不同围压条件下各粒径级配矸石轴向压缩变形特征,揭示粒径级配对三向加载下矸石充填材料变形特性的影响规律.研究结果表明,不同级配矸石三向加载压缩曲线均可较好的拟合为二次函数,且各拟合参数均可由含围压的一次函数描述,三向加载条件下矸石抵抗变形能力从大到小依次为连续级配矸石、不连续级配矸石、单粒径级配矸石,单粒径级配矸石中0~10 mm粒径,不连续级配矸石中细料含量40%和连续级配矸石中实验指数0.5的矸石压缩性能较良好.

Performance of cemented coal gangue backfill

Possibility of cemented gangue backfill was studied with gangue of Suncun Coal Mine, Xinwen Coal Group, Shandong, and fly ash of nearby thermal power plant, in order to treat enormous coal gangue on a large scale and to recovery safety coal pillars. The results indicate that coal gangue is not an ideal aggregate for pipeline gravity flow backfill, but such disadvantages of gangue as bad fluidity and serious pipe wear can be overcome by addition of fly ash. It is approved that quality indexes such as strength and dewatering ratio and piping feature of slurry can satisfy requirement of cemented backfill if mass ratio of cement to fly ash to gangue is 1:4:15 and mass fraction of solid materials reaches 72%-75%. Harden mechanism suggests that the cemented gangue fill has a higher middle and long term comprehensive strength.