高砂高泡水泥基充填材料物理力学性能研究

发布时间：2020-05-17 02:24

【摘要】：充填开采可有效缓解遗弃资源浪费、矿山开采过程引起的地表沉陷等问题,是实现矿山绿色开采的重要手段,充填材料的研发与应用是采矿行业研究的热点问题之一。本文以西北地表广泛赋存的天然砂为骨料,将其与普通硅酸盐水泥、微硅粉等凝胶材料混合成浆,掺入复合型发泡剂制成的泡沫,制备出高砂高泡水泥基充填材料,围绕料浆的流动性、触变性及固结体微观孔隙特征、力学性能展开系统研究,主要研究成果如下:(1)结合高砂高泡水泥基充填材料的特征,研究了天然砂、水泥及微硅粉等主要原材料的物化性能,分析了凝胶材料水化反应过程,掌握了HTQ-1复合型发泡剂物理发泡的优点,揭示了泡沫的形成及破坏机理,根据材料强度原理等,计算得到了合理的材料配比范围。研究了该材料泡沫料浆的流变性能及触变性能,建立了屈服应力、粘度系数及剪切速率与剪切应力的计算模型,确定了泡沫料浆的凝结时间及影响因素;明确了料浆流变特征的影响因素,水胶比增加使得自由水含量增多,稀释了凝胶材料的絮凝结构,降低了骨料颗粒及其之间的摩擦阻力,触变性降低,流变性能增加;光滑泡沫的掺入能提升浆体流动性。(2)研究了高砂高泡水泥基充填材料固结体的气孔形成机理,阐述了充填材料的制备,分析了该材料固结体孔隙特征及其影响因素。随着砂胶比的增加,固结体孔隙率、气孔平均孔径、孔径方差及圆度值均呈增大趋势,砂胶比对泡沫掺入量较大试件孔隙特征的影响更加显著;水胶比为0.6时,形成的气孔较为均匀;泡沫与料浆混合时搅拌时间、搅拌速率的增加均可减小固结体平均孔径、方差及孔隙率。(3)研究了高砂高泡水泥基充填材料固结体的力学性能,分析了强度影响因素及固结体的破坏特征。砂胶比的增加,减小了固结体强度,降低了固结体脆性,基体试件、密度等级800 kg/m3、1000 kg/m3试件的强度分别降低了35.4%、57.8%、53.1%,砂胶比对泡沫掺入量较大试件力学性能的影响更为显著;碱性环境可提升固结体强度,酸性环境固结体腐蚀作用较强,可降低材料强度。(4)对高砂高泡水泥基充填材料充填效果进行了数值分析,空区充填能使巷道围岩的应力分布得到改善,有效控制了巷道围岩变形;使用该材料进行了局部空区充填试验,验证了其充填效果的有效性。研究成果可为高砂高泡水泥基充填材料的应用及矿山安全、高效、绿色开采提供参考和借鉴。
【图文】：

水泥,凝胶材料,水泥样品,波长色散

水泥作为水泥基泡沫材料的凝胶材料，水泥的选取及性能研究是制备该材料及后续对孔隙特征研究必不可少的环节，，本实验所用水泥为徐州中联水泥厂生产的 P·O42.5R 普通硅酸盐水泥如图 2-1 所示。将水泥样品用波长色散 X 射线荧光光谱仪进行分析，得出 XRD 图谱如图 2-3 所示。

区域图,细砂,区域,天然砂

3）天然砂本次实验材料制备过程选用的砂为新疆地区地表广泛赋存的天然细砂，具有成本低廉，选取方便等优点。天然细砂取材区域与细砂样品如图 2-4、图 2-5 所示。
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TD823.7

【参考文献】