煤矸石胶结充填材料静态抗离析性能研究

发布时间：2020-07-03 07:49

【摘要】：煤矸石胶结充填材料是破碎煤矸石、粉煤灰、水泥和水的拌合物,其中煤矸石和粉煤灰的用量分别达950kg/m3和380kg/m3。将煤矸石胶结充填材料充填到井下采空区支撑上覆岩层,可以有效控制地表沉陷、开发利用煤矿地下空间,同时实现煤矸石和粉煤灰的资源化利用。然而,长距离管道泵送要求新拌料浆具有较高的流动性,高流动性的料浆的屈服应力和塑性粘度较低,在浇筑到模板后的静置过程中易发生静态离析。静态离析严重劣化充填体的力学性能和耐久性能,因此,本文围绕煤矸石胶结充填材料静态抗离析性能的影响因素、测试方法和评价模型展开研究,主要研究内容及结论如下:1)研究了煤矸石、粉煤灰、水泥的物理化学性质和减水剂的基本性能,结果表明:煤矸石粗骨料的表观密度(约2680 kg/m3)远大于新拌料浆的表观密度(约1800 kg/m3),在静置过程中易发生沉降。2)利用响应面法研究了粉煤灰用量、细矸率和质量浓度对煤矸石胶结充填材料静态抗离析性能的影响及交互影响,并研究了静态离析与流变特性之间的关系,结果表明:降低粉煤灰用量或增加质量浓度可以提高煤矸石胶结充填材料的静态抗离析性能;细矸率为33%时,煤矸石胶结充填材料具有良好的流动性能和适宜的静态抗离析性能;三因素中质量浓度对静态抗离析性能的影响最显著,细矸率次之,粉煤灰用量再次之;质量浓度与细矸率对静态抗离析性能的交互作用最显著;随着塑性粘度的增大,静态抗离析性能呈现出上升趋势,但二者之间不具有数量关系。3)研究了用超声波法评价煤矸石胶结充填材料静态抗离析性能的可行性,及静态离析对充填体沿垂向强度分布的影响,结果表明:依据试验模具顶部料浆和底部料浆中超声波的传播速度计算得到静态离析率,静态离析率可以精确表征煤矸石胶结充填材料的静态抗离析性能;利用28d龄期充填体顶部、中部和底部超声波的传播速度计算得到硬化静态离析率,硬化静态离析率能精确评价煤矸石胶结充填材料的静态抗离析性能;28d龄期充填体沿垂向强度分布不均匀,充填体顶部强度比中部强度降低可达31%。4)推导了粗矸石颗粒在新拌料浆中的最终沉降速度计算模型,代入试验数据回归分析得到的表观密度预测模型和塑性粘度预测模型,得到煤矸石胶结充填材料静态抗离析性能评价模型,评价模型以煤矸石骨料特性参数和充填材料关键配合比参数为变量;试验测量汾西矿业有限责任公司新阳矿煤矸石的骨料特性参数,代入上述评价模型,求模型在矿用配合比参数范围内的最小值,得到煤矸石胶结充填材料静态抗离析性能最佳时对应的配合比参数为:粉煤灰用量400kg/m3、细矸率35%、质量浓度82%。
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TD849.5
【图文】：

颗粒粒径分布,颗粒受力,粗骨料,分散系数

图 1-1 粗骨料颗粒受力分析ure 1-1 Force analysis of a single pa了颗粒级配对尾砂充填膏体静均粒径和粒径分散系数两个参 11 种骨料级配，并通过改进分散系数的合理范围，试验结 μm 颗粒的质量分数为约束条径分散系数为 1.43~1.45，平质量浓度对尾砂充填膏体静态度与初始浓度呈正相关，静态颗粒粒径分布的差异将影响充粉煤灰用量对煤矸石胶结充填

照片,自密实混凝土,稳定性,试样

（a）VSI=2 （b）VSI=3图 1-2 不同稳定性等级的自密实混凝土试样Figure 1-2 Mixtures with different VSI电子图像分析法依据骨料和料浆的色差通过计算机软件分析硬化混凝土剖面照片得到剖面上骨料的分布状况[32]。该方法所需的试件尺寸和制作方法与硬化视觉稳定性指数法相同，待混凝土试件硬化后将试件剖开并用相机对剖面进行成像，然后使用特殊的分析软件计算试件剖面四个高度范围内的骨料面积，通过比较骨料面积对混凝土拌和物的静态抗离析性能作出评价。柱状法是另一种纳入 ASTM 标准的自密实混凝土静态抗离析性能评价方法，是以200mm×660mm 的标准圆柱体试模中上节与下节混凝土拌合物中大于 4.75mm 的粗骨料的质量差异来反映混凝土拌合物的静态抗离析性能[36]。试验时首先让拌合物在试模中静停（15 1）分钟，接着在 20 分钟内用取料器将圆柱体分为上、中、下三节，然后用4.75mm 的标准方孔筛将顶节和底节混凝土拌合物中的粗骨料洗出并将其擦至面干状态

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