煤矿膏体充填材料不同条件下的电阻率特性及应用研究

发布时间：2019-09-04 12:50

【摘要】：煤矿膏体充填开采技术是解放村庄下、水体下、道路下的煤炭资源的有效途径，同时，煤矿膏体充填材料以煤矸石、粉煤灰等固体废弃物为主要原料，一方面可以改变固体废弃物无序堆积污染环境的现状，另一方面也可以有效控制地表沉陷。因此，煤矿膏体充填开采技术是实现绿色采矿的重要组成部分。膏体充填材料及特性是达到充填效果的关键因素，充填效果评价是完善膏体充填体系的重要环节。本文以原料的活性特征为切入点，充填材料的电阻率性能为主线，基于膏体充填材料电阻率对充填效果的有效评价为目标。采用实验室试验、理论分析、数值模拟和现场实测的方法，对原料的活性特征、原料含量对充填材料电阻率性能的影响、单轴加载条件下应力和电阻率的相互关系进行了研究，并提出了一种基于煤矿膏体充填材料电阻率特性对充填效果的评价方法，取得了一些创新性成果。为了了解充填材料中的原料的活性特征及其对充填材料电阻率的影响。研究了机械破碎后的矸石粉末和粉煤灰溶解在不同浓度的氢氧化钙溶液48h内的火山灰反应特性和活性离子溶出特性，采用X射线衍射仪（XRD）、热场发射扫描电子显微镜（FETEM）和傅里叶红外光谱仪（FT-IR）分别对矸石粉末浸入1mol/L和0.1mo/L Ca(OH)2溶液不同时间段的滤渣矿物成分、微观形态和官能团特征进行了分析和观测，同时运用电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP-OES）和电导率仪分别对滤液的活性离子浓度和电导率进行测定。分析了活性离子Al3+、Fe3+、Si4+来源于矿物成分中官能团键能的变化，揭示了活性离子浓度变化的直接原因是活性离子从矿物结构中的溶出和参与火山灰反应共同作用的结果，研究了矿物表面形态随溶解时间增加针柱状产物增多的变化过程。分别研究了细矸石（-5mm）含量、粉煤灰含量和养护龄期对充填材料矿物成分、微观形态、孔隙结构、孔隙溶液离子浓度、电阻率、抗压强度的影响，揭示了材料抗压强度变化的微观机理是由材料孔隙率、材料硬化后浆体与矸石接触面胶结作用引起，电阻率变化的微观机理是由材料孔隙结构、界面过渡区的裂隙和孔隙溶液的离子浓度共同作用的结果。分析了原料含量造成材料性能变化的根本原因是原料对材料内的物理填充、溶出的活性离子参与火山灰反应。建立了不同粉煤灰含量条件下抗压强度和电阻率的函数关系式，分析了不同细矸石含量条件下抗压强度和电阻率不存在相关性的原因。结合传统岩石力学的方法，研究了早期膏体充填材料在自然和矿井水养护状态下，应力-应变曲线的特征及变化规律，把充填材料单轴加载条件下的变形分为四个阶段，分阶段对变形特征进行了详细的分析。揭示了矿井水pH值和电导率变化的机理，认为充填材料内发生的水化反应和火山灰反应是其变化的根本原因。分析了不同养护状态下的孔隙率和孔隙结构对应力-应变-电阻率产生的影响，给出了不同养护状态下应力峰值前和峰值后的应力与电阻率的函数关系式，为确定顶板应力作用下充填体电阻率提供了理论依据。基于膏体充填材料的电阻率特性，提出了煤矿膏体充填效果的电阻率评价方法，介绍了该方法对充填体的监测过程和数据处理的步骤，分析了该方法用于充填效果评价的优势，在新阳煤矿进行了实际的工程应用。针对新阳煤矿充填工作面具体的地质条件，设计了充填系统及其工艺，确定了上覆岩层的电阻率和充填体在不同开采阶段的电阻率，利用正演软件RES2DMOD，建立不同阶段的充填体与覆岩的电阻率模型，通过反演软件RES2DINV计算得出视电阻率曲线剖面图，揭示了充填开采过程中，视电阻率曲线的形态和数值的变化规律。将电阻率充填效果评价方法应用于现场对充填体的监测，将评价结果与正反演数值模拟对照，结果表明：本文提出的电阻率充填效果评价方法是可行的，，该方法的提出丰富了充填开采的理论及其技术体系，促进了与环境相协调的绿色开采的快速、全面发展。
【图文】：

粒度分析仪,矸石

太原理工大学博士研究生学位论文后煤矸石在氢氧化钙溶液中的活性研究方法机械破碎，采用筛孔直径为 160μm 的筛网过滤，取-160μmstersizer 2000 粒度分析仪（图 2-1）对选取的矸石粉末样果如图 2-2 所示，矸石粉末的比表面积为 0.415m2/g。

矸石,粉末粒径,粒度分析仪,粉末样品

Mastersizer 2000 粒度分析仪（图 2-1）对选取的矸石粉末样品进行结果如图 2-2 所示，矸石粉末的比表面积为 0.415m2/g。图 2-1 Malvern Mastersizer 2000 粒度分析仪Figure 2-1 Malvern Mastersizer 2000 particle size analyzer
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TD823.7

【参考文献】