多源煤基固废胶结充填体力学及变形破坏特征试验研究

【目的】为研究多源煤基固废胶结充填体的力学特性及变形破坏规律,选择5种典型煤基固废,开展了煤基固废胶结充填体(Coal-Based Solid Waste Cemented Backfill,CBSWCB)的单轴压缩、声发射响应及微观结构测试试验。【方法】分析了CBSWCB单轴抗压强度的影响因素和交互作用,建立了基于交互作用的抗压强度影响因素四维空间可视化模型,结合CBSWCB的声发射及微观结构特征,阐明了单轴压缩条件下的力学演化特征及宏观变形破坏规律,从微观角度进一步论证了CBSWCB承载过程中水化反应机理及宏细观联系。【结果和结论】试验结果表明:(1)单轴抗压强度的主要影响因素是质量分数,而炉底渣掺量的影响程度最小。(2)单轴压缩下CBSWCB的宏观变形破坏由塑性、弱劈裂破坏逐渐向脆性、剪切破坏转化。(3) CBSWCB试件声发射参数演化可以分为上升期、平静期、活跃期、稳定期,声发射累计振铃计数曲线呈现明显的“阶梯状”增长,累计振铃计数在上升期和平稳期内缓慢增加,在活跃期急剧增加,在稳定期逐渐趋于平缓。(4)水泥掺量偏低以及多源煤基固废充填材料属性差异导致水化反应程度有限,水化产物数量较少是CBSWCB单轴抗压强度普遍偏低的主要原因。研究结果可为多源煤基固废用于充填开采提供一定参考依据。

基于RSM-BBD的多源煤基固废胶结体配比及性能研究

本工作采用响应面法(RSM)Box-Behnken Design(BBD)模式对脱硫石膏、气化细渣和炉底渣等多源煤基固废进行配比优选,并研究了最优配比胶结体的力学性能、孔隙结构、热稳定性、微观结构等特性。结果表明:(1)气化细渣掺量对胶结体的1 d强度影响最大,脱硫石膏掺量对胶结体3 d和7 d强度影响最大,两种固废的交互作用对胶结体早期强度影响最显著,表现为负效应;在粉煤灰与矸石质量比为0.4∶1和质量浓度为80%的条件下,获得脱硫石膏、气化细渣和炉底渣的最优质量比为0.2∶0.1∶0.1,并分析了最优配比胶结体的压缩变形和破坏特征。(2)研究了胶结体的微观特性:胶结体内存在密集细颈型封闭孔隙,孔直径范围在5~3.7×10^(5) nm,微孔较少,以中、大孔为主;胶结体在55~65℃和90~120℃区间出现游离水和结晶水的吸热脱水反应,在600~700℃区间出现结构水、羟基水的脱除和水化产物的分解,在800℃累计失重约8%。(3)煤基固废胶结体的水化反应以水泥为主,固废之间未发生化学反应,水化产物为少量短杆状钙矾石相和薄层绒状C-S-H凝胶;钙矾石中少量Al^(3+)被Si^(4+)取代,少量SO_(4)^(2-)被CO_(3)^(2-)取代。

基于RSM-BBD法胶结充填材料配比优化及工程应用

针对煤层回采顶板垮落法产生的采煤固废堆放量大、长壁胶结充填开采中采充失衡等问题,内蒙古察哈素煤矿31采区采用连采连充巷式胶结充填采煤工艺,采用“隔三采一”的回采方式及“三强一弱”的充填模式。充填材料配比对充填成本与效果具有重要影响,针对原胶结充填材料中水泥消耗大、粉煤灰消纳少的问题,基于泰波理论确定矸石最佳粒径级配系数n为0.5,在此基础上,利用响应面法(RSM)优化材料配比。基于RSM-BBD (Box–Behnken Design)设计13组试验,建立充填体3、7及28 d单轴抗压强度与水泥质量分数X_(1)、粉煤灰质量分数X_(2)、固料质量分数X_(3)及3因素交互作用(水泥与粉煤灰交互作用X_(1)X_(2)、水泥与固料质量分数交互作用X_(1)X_(3)、粉煤灰与固料质量分数交互作用X_(2)X_(3))的回归模型,模型P值均小于10-4,模型可靠性强。试验结果表明:不仅单一因素对强度影响显著,且各因素的交互作用也对强度有一定的影响。强度随X_(1)与X_(3)的增加而增大,随X_(2)的增加先增大后减小,X_(1)对前期影响最显著,X_(3)对后期影响最显著,X_(2)对强度影响随龄期增长逐渐显著。X_(2)X_(3)对7 d强度影响显著,X_(1)X_(2)对28 d强度影响显著,X_(1)X_(3)对3、7和28 d强度均有显著影响。在X_(1)X_(3)对7、28 d强度的交互影响中,水泥与固料质量分数会相互促进两者对强度的增强作用,而在其他交互影响中,一因素的增加会对另一因素的影响效果起抑制作用。基于RSM确定合理配比为X_(3)取78%~79%, X_(2)取19%~20%;高强度充填时X_(1)取9%~10%,低强度充填时X_(1)取8%。察哈素煤矿303工作面共采出煤炭16.8万t,消纳矸石16.22万t,粉煤灰消纳增加量与水泥消耗减少量均达到1万t以上,大大节省了粉煤灰处理费用与水泥成本,具有良好的环境效益与经济效益。

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。

煤矸石基胶结充填体力学性能及微观结构演化研究

针对某煤矿矸石消纳量低、处置成本高等技术瓶颈,为契合两山论及绿色矿山发展理念,研究以煤矸石为骨料,大宗工业固废粉煤灰和脱硫石膏等制备胶凝材料,研制煤矸石基新型复合膏体充填材料。借助正交试验,设计以细矸率、煤矸石掺量、粉煤灰掺量为目标因素,考察不同因素水平变化下充填体力学强度的影响规律,综合极差分析和方差分析,定量评估各因素对充填体样品强度的敏感程度,采用压汞仪、扫描电子显微镜揭示了水化产物作用机理、孔结构特征及微观结构形貌。结果表明:①随着细矸率的提升,充填体样品的抗压强度和抗折强度均表现为先正相关后负相关,细矸率40%是其性能临界点;煤矸石掺量影响充填体样品力学强度的规律为先增后减;随着粉煤灰掺量的提升,充填体样品早期强度降低,后期强度升高。②充填体样品3d和7d强度的影响因素显著性强弱的排序为细矸率、煤矸石掺量、粉煤灰掺量,最优配合比为细矸率40%、煤矸石掺量40%、粉煤灰掺量25%;充填体样品28d强度的影响因素显著性强弱的排序为细矸率、粉煤灰掺量、煤矸石掺量,最优配合比为细矸率40%、煤矸石掺量45%、粉煤灰掺量40%。③充填材料主要水化产物为钙矾石和C—S—H凝胶,二者的搭接密实性决定了充填体样品强度的发展;随着水化龄期的延长,水化产物不断发育,相互搭接形成致密的网状结构,细化结构孔洞,显著提高了充填体样品的力学强度。

煤矿井下高浓度胶结充填开采技术

为有效控制煤层开采引起的地表移动,进一步提高煤炭资源采出率,结合煤矿充填开采现状,提出煤矿高浓度胶结充填开采方法。运用相似模拟方法,从上覆岩层的移动形式、超前支承压力的影响范围、工作面周期来压强度及合理支架工作阻力等多个方面,研究了高浓度胶结充填开采工作面的矿压显现规律。以此矿压显现规律为依据,设计出与之相适应的充填开采液压支架和隔离支架,使之能够在形成较大充填空间的同时,减小工作面充填前顶板下沉量。同时阐述了高浓度胶结充填工作面布置形式及充填基本工艺,实现采煤和充填材料凝固平行作业,有效提高了工作面充填效率。

矿井采空区水泥-煤矸石充填体结构模型研究

鉴于以水泥为主要胶结成分的充填材料费用较高,不利于大面积充填开采,为实现利用固体废弃物代替水泥配制高效的矿井采空区充填材料,以水泥、煤矸石作为充填材料主要成分,通过实验室试验得出充填体抗压强度与水泥掺量关系,并利用电子扫描电镜对充填体微观结构进行观测,分析了不同水泥掺量时充填体抗压强度增长规律,构建了水泥-煤矸石充填体结构模型。研究结果表明:水泥-煤矸石充填体结构由矸石颗粒的胶结和孔隙填充2部分构成,矸石颗粒的胶结与孔隙填充对充填体抗压强度提高有很大作用。

充填开采控制地表沉陷试验研究与数值分析

以新阳煤矿10203工作面为工程背景,运用相似材料模拟试验,分析了跨落法开采、充填率80%和充填率90%充填开采时地表沉陷规律。运用数值分析的方法,分析了不同等效采高与地表沉陷值、地表下沉系数之间的关系。研究结果表明:充填开采地表沉陷最大值明显小于跨落法开采,充填率分别为80%和90%时,10203工作面地表沉陷最大值分别为112 mm和48 mm;地表下沉系数与等效采高之间满足指数函数关系,基于此建立了充填开采地表沉陷最大值预测模型。

煤矿高浓度胶结充填体能量演化特征试验研究

为了研究煤矿高浓度胶结充填体的能量演化特征,借助RTR-2000高压岩石三轴动态测试系统开展了高浓度胶结充填体不同围压下的常规三轴压缩试验,分析了试件变形破坏过程中的应变能演化规律及围压效应。研究结果表明:(1)对于围压不为0的试件,峰值强度对应的耗散应变能占吸收应变能的比例超过70%,试件在达到峰值强度前已经发生剧烈的塑性变形和破坏;(2)试件变形破坏过程中,吸收应变能快速增加,弹性应变能先积累后释放,峰值强度时达到储能极限,耗散应变能自屈服变形阶段开始快速增长;(3)相同轴向应变条件下,围压越大,试件的吸收应变能、弹性应变能越大,高围压试件的耗散应变能随轴向应变的增加将超过低围压试件的耗散应变能,围压可以大幅改善试件的应力水平,限制试件的径向变形,提高试件的储能能力,抑制试件的变形破坏。

杨家沟铝土矿充填材料配比优化研究

为了充分回收铝土矿资源和保护地表村庄安全,杨家沟铝土矿拟采用条带进路充填法回采矿石。结合矿山周边固废情况,探讨了煤矸石尺寸、粉煤灰和脱硫灰渣掺量对充填料浆流动性和充填体强度的影响。研究结果表明,粉煤灰的"滚珠"效应能够改善充填料浆的流动性,但在大掺量情况下主要起填充作用,表现为充填体强度随掺量的增加而降低;单一增大煤矸石尺寸导致料浆极易离析,脱硫灰渣掺入后能够增加料浆的黏聚性,适合长距离泵送;充填体强度与煤矸石尺寸呈正相关,但早期强度增长较慢,各龄期增长幅度为3.06%~20%。通过类比相似矿山及结合室内试验结果,推荐充填配比:1步骤配比为水泥∶粉煤灰∶煤矸石∶灰渣=1∶1∶6.4∶1.6,料浆质量浓度80%,该配比28 d强度为3.28 MPa,坍落度为26.2 cm;2步骤配比为水泥∶粉煤灰∶煤矸石∶灰渣=1∶2∶14.4∶3.6,料浆质量浓度80%,该配比28 d强度为0.76 MPa,坍落度为25.7 cm。

建筑物下压煤胶结充填条带开采模式

为了解决条带开采回采率相对较低和煤矿采空区全部充填开采成本相对偏高的问题,同时有效地控制建筑物下采煤围岩变形和地表沉陷,提出了采空区胶结充填条带开采模式,并阐述了该模式的技术思路;以胶结充填体和覆岩结构联合控制开采沉陷为原则,深入研究胶结充填条带开采模式下不充填区工作面采宽和充填区工作面采宽及两者间的协调关系,并求得了两者间的关系式;该模式对建筑物下开采设计是十分有效的,能够有效地控制地表移动和变形,提高采区回采率,以实现建筑物下安全采煤并最大程度地减少充填开采成本。

长壁逐巷胶结充填巷道复合承载体支护研究

长壁逐巷胶结充填开采过程中充填巷道的支护效率极大地影响了掘巷速度,为了简化回采过程中充填巷道两侧处于煤体-煤体、充填体-煤体、充填体-充填体围岩动态组合时的支护,通过数值模拟得出单个开采循环内煤体和充填体的应力演化规律,针对充填巷道周围煤与充填体的不同复合承载特点,设计了3种支护方案,并分析了支护效果。结果表明,单个开采循环内的不同阶段煤体都为复合承载体系中的主要承载部分,其垂直应力最大可达34.4 MPa,应力集中系数为2.33;充填体垂直应力变化范围约为0.5~2.13 MPa,变化幅度小;在掘进过程中减少对充填体侧的支护时,处于3种状态的充填巷道断面收缩率分别为2.84%、4.38%、13.33%,即单个开采循环中存在煤体-充填体复合承载时减少支护对巷道变形影响较小。

矸石膏体流动与强度性能试验研究

目的:为了利用煤矸石制备膏体,探索煤矸石无废化源头处理技术。方法:通过室内实验研究了膏体制备参数、物料组成及掺量对膏体流动工作特性、强度特性的影响。结果:结果表明:随着粉煤灰替代水泥百分比增加,膏体塌落度和泌水率均先降低后增加,28 d强度却线性降低;低品质粉煤灰可作为细骨料改善膏体的级配,膏体的塌落度和泌水率随粉煤灰细骨料的增加分别线性增加和对数下降,当粉煤灰与煤矸石比例为1∶2时,具有最高28 d强度3.32 MPa,且满足自流输送要求;其余不变时,随水泥增加,膏体塌落度增加,泌水率降低,流动性增强,强度呈对数函数形式上升;固定水泥∶粉煤灰∶煤矸石=1∶3∶6,膏体的塌落度与泌水率均随着质量浓度的增加而线性降低;而强度随浓度的增加而线性增加。结论:研究可为煤矸石膏体充填的设计与工程应用提供理论依据与技术支撑。

特厚煤层长壁巷式胶结充填开采技术研究与应用

针对特厚煤层采出率低、"三下"及其他特殊地质条件下特厚煤层采场围岩移动破坏与地表沉陷控制困难的问题,提出了特厚煤层长壁巷式胶结充填开采技术。在研究特厚煤层长壁巷式胶结充填开采技术原理的基础上,系统阐述了该技术的开采系统布置、主要设备与巷式充填开采工艺;并对胶结充填材料的组成及其承载特性进行了研究,确定了适用于工程现场的充填材料干料配比为粉煤灰35%、白灰渣10%、水泥2%、矸石53%,料浆质量分数为79%,该配比充填材料单轴抗压强度可达1.8 MPa。现场工程应用表明:该技术充实率可达96.1%,开采21 m厚的煤层地表下沉最大值为265 mm,地表下沉系数仅为0.012 6,应用效果良好。

煤矸石粉对矸石基绿色胶结充填体性能的影响

针对煤矸石排放及粉煤灰应用带来的一系列环境问题,以及以粉煤灰为掺合料的矿山矸石胶结充填成本相对较高的工程问题,通过试验分析研究了煤矸石粉掺量对矸石基绿色胶结充填体工作性能、力学性能和耐水性能的影响规律,并通过SEM和XRD试验分析煤矸石粉对充填体性能的影响机理。结果表明:掺加简单机械活化煤矸石粉的矸石充填材料,能够满足矿山对于泵送输送的要求并具有一定的抗压强度,适合对强度要求相对较低的采空区使用;微观形态效应与微集料效应减弱了煤矸石骨料的“微泵吸水”和表面颗粒摩擦力,工作性能得到改善;微火山灰效应和微集料填充作用使充填体内部形成大量的C—S—H和C—A—S—H结晶体,其内部骨架得到密实,微观孔结构得到改善,有害孔数量减少,充填体的强度和耐水性得到提升。

超声波法评价矸石膏体的静态抗离析性能

为了快速评价矸石膏体充填材料的静态抗离析性能,使用康科瑞NM-4B非金属超声波检测仪研究了超声波在充填料浆和硬化充填体中的传播特征。试验结果表明:静置10 min以后,超声波在充填料浆中的传播速度趋于稳定,超声波在试模顶部料浆中的传播速度明显小于试模底部料浆中的传播速度;依据超声波在试模顶部料浆中的传播速度和试模底部料浆中的传播速度计算得到静态离析率,与静态离析指数之间的相关系数为0.995;随养护龄期增长,超声波在硬化充填体中的传播速度逐渐增大,超声波在硬化充填体顶部、中部和底部的传播速度存在显著差异,定义超声波在充填体高度方向不同位置处传播速度的标准差为硬化静态离析率,硬化静态离析率与静态离析率之间的相关系数为0.941,与静态离析指数之间的相关系数为0.955。因此,静态离析率和硬化静态离析率可以用来表征矸石膏体的静态抗离析性能。