粉煤灰充填材料的井下安全性研究

发布时间：2018-11-11 13:18

【摘要】：我国煤矿主要采用井工长壁顶板垮落式开采方法，由此造成了岩层垮落、土地塌陷、地下水资源和生态破坏，以及大量煤柱留置地下的严重问题，尤其是“三下”（构筑物下、铁路下和水体下）压煤量日益增多。充填开采是解决上述问题的有效方法，以电厂排放的粉煤灰、煤矿排出的煤矸石和水泥为主要材料制成的粉煤灰膏体作为充填材料，造价低廉、来源丰富，同时解决了大量排放煤矸石和粉煤灰占用土地、污染环境的问题，但粉煤灰膏体充填在井下充填实施过程中存在发热现象，，已实施的充填体在凝结的过程中会形成孔隙对采空区的瓦斯气体进行吸附，充填体可能存在重金属和放射性危害等安全问题，目前在国内尚且缺乏系统的试验研究。文章通过对粉煤灰、煤矸石等材料的特性测定和材料配比试验选定了粉煤灰膏体充填材料的优势配比；进而对粉煤灰膏体充填材料的水化放热特性、瓦斯吸附特性和环境污染性及人体伤害性进行了试验研究。得出以下结论： 1）运用相关仪器设备对粉煤灰和煤矸石的粒度、矿物组成、化学组成和微观形貌等原材料特性进行了测试分析，测得所用粉煤灰为活性较低的低钙等外灰，煤矸石为粘土类矸石，但两者可结合用作配制粉煤灰充填材料；通过正交材料配比试验选定水泥：粉煤灰：煤矸石为1:3:5，固体质量分数为78%或80%，并加入适量激发剂和添加剂的配比为粉煤灰膏体充填材料的优势配比。 2）运用TAM Air等温微量热仪对充填材料的水化放热特性进行了试验研究，测试分析了不同配比充填材料的水化热及放热速率，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7d温度升高的理论预测值分别为69℃，22.9℃和10℃。 3）运用3H-2000PHD系列全自动高压气体吸附分析仪对充填材料的瓦斯吸附特性进行了试验研究，测试了粉煤灰充填材料的瓦斯吸附能力，得到在水化胶凝的过程中该材料具有瓦斯吸附性能；这种吸附特性在养护5d时间内表现最为明显，5d之后对瓦斯吸附的能力逐步饱和；在2Mpa瓦斯吸附压力范围内，充填体对瓦斯的吸附量会随着吸附压力的增加表现出接近线性增长的规律。1:3:5+X配比的试件养护14d在吸附压力为2Mpa时的吸附量为1.2754ml·g-1，1:4:5+X配比的试件养护14d在吸附压力为2Mpa时的吸附量为1.3048ml·g-1；粉煤灰掺量的增加对提高充填材料5d内的瓦斯吸附量有增强作用，但对14d以后的瓦斯吸附能力有限制作用。 4）总结分析了粉煤灰和煤矸石对环境的污染及对人体的伤害性。粉煤灰和煤矸石中含有大量有毒有害的重金属元素和若干具有天然放射性的元素，有害物质会通过风化和渗滤作用对大气、土壤和水体造成污染，其中铜、锌、铅、镉、铬、镍、钴、砷和汞等微量有害元素，通过渗滤作用和土壤、生物富集作用间接影响人体后会对人体造成伤害和严重疾病。粉煤灰和煤矸石中含有的天然放射性元素主要包括238U、232Th、226Ra和40K，他们不仅会直接对动植物和人体造成辐射伤害，还会通过渗滤作用渗入地下水，从而对人类健康产生影响。
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【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TD823.7

【参考文献】