高砂高泡水泥基充填材料的工程力学特性及其应用研究

发布时间：2020-07-15 19:15

【摘要】：充填开采可有效缓解煤矿开采带来的安全和环境问题,是实现煤矿绿色开采的主要技术途径之一。充填材料及其力学性能对降低成本、改善工艺和扩大充填开采的应用范围等有重要影响,是采矿行业关注和研究的热点问题之一。本文以西部地表广泛赋存的天然砂(土)为主要原料,与水泥、微硅粉等胶凝材料混合成浆,加入泡沫后制成高砂高泡水泥基充填材料,并围绕材料固结体的强度及演化特征、固结体的工程力学特性、料浆管道输送特性及巷道顶部空区的充填试验等展开系统研究。主要成果如下:(1)结合高砂、低胶和高泡水泥基充填材料的特点,揭示了材料的形成机理,掌握了砂胶比、泡沫添加量等因素对固结体强度及其演化特征的影响,明确了固结体强度与基体强度、气孔率和孔径参数(等效平均孔径和方差)的关系,并基于混凝土材料Ryshkewitch强度经验公式,提出了该材料固结体强度的预测公式。(2)研究了高砂高泡水泥基充填材料固结体的工程力学特性。掌握了矸石粒径及添加量变化对材料固结体强度的影响;阐明了浸水、腐蚀环境下材料固结体的强度变化特征及其影响机理;揭示了高砂高泡水泥基充填材料固结体强度的尺寸效应,量化了1000 kg/m~3、1200 kg/m~3、1400 kg/m~3三种密度等级固结体强度与尺寸的关系。(3)阐明了不同输送距离的高砂高泡水泥基充填料浆的管道输送特征。基于Bingham流变模型,建立了高砂高泡水泥基充填料浆屈服应力、塑性粘度等流变参数的计算模型,构建了料浆体积损失测试系统,得出了典型配比(水胶比0.6、砂胶比3.5、微硅粉比例10%,集料为细砂Ⅱ)下的料浆泡沫损失的计算公式,并提出了管道输送系统关键参数的确定方法。(4)基于厚煤层遗弃资源复采工作面的顶板结构、巷道围岩及承载特征,依据充填垫层缓冲顶板动载的要求,确定了充填体的相关技术参数,构建了井下制浆及管道输送系统,实施了高砂高泡水泥基材料的充填试验。通过钻孔探测、现场充填体取样实测验证了高砂高泡水泥基充填材料的稳定性和工程应用效果的有效性。研究成果可为高砂高泡水泥基充填材料在煤矿井下充填应用中的相关技术参数设计提供理论依据,也可为煤矿安全和绿色开采提供参考和借鉴。
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TD823.7
【图文】：

普通硅酸盐水泥

加入泡沫后制备高砂高泡展高砂高泡水泥基充填材料的配比研究料的形成机理，阐述了高砂高泡水泥基奠定基础。2.1 原材料及其物理化学性质（of Raw Materials）2.1.1 胶凝材料1）普通硅酸盐水泥水泥是充填材料中常用的胶结材料煤矿充填开采的需要，早强型水泥早期形成，且成本和普通水泥接近，应用广本实验选用的水泥为徐州中联水泥2-1 所示。由图 2-2 可知，实验用水泥的钙 C2S、铝酸三钙 C3A 等。

细集料,筛分,细砂

10d —10%颗粒能通过的筛孔直径，mm。图2-5 细集料筛分示意Figure 2-5 Sketch of fine aggregate screening4 种集料颗粒粒径分布见 2-4，并绘制集料的颗粒级配曲线如图 2-6 所示。表 2-4 集料的颗粒粒径组成Table 2-4 Particle size composition of fine aggregate种类颗粒粒径分布粒径/mm ＜0.075 0.075-0.1 0.1-0.25 0.25-0.5 0.5-1细砂Ⅰ比例/% 4.2 5.06 72.3 12.5 5.94累计/% 4.2 9.26 81.56 94.06 100细砂Ⅱ比例/% 1.01 3.26 91.08 3.78 0.87累计/% 1.01 4.27 95.35 99.13 100细砂Ⅲ比例/% 15.14 2.71 73.14 2.91 6.1累计/% 15.14 17.85 90.99 93.90 100高原黄土比例/% 25.70 4.63 41.23 9.89 18.55累计/% 25.70 30.33 71.56 81.45 100图 2-6 细集料颗粒粒径级配累计曲线Figure2-6 Accumulation curve of particle size and gradation of fine aggregate由表 2-4 知，细砂Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的颗粒粒径主要集中在 0.1mm-0.25mm，且超过 0.1mm 的颗粒占比分别为 90.74%、82.15%、95.73%（超过 75%），属于细砂，加权平均粒径分别为 0.22mm、0.18mm 和 0.19mm，粒径的不均匀系数分别为 5、01020304050607080901000.01 0.1 1颗于某粒径小粒质量分数%/粒径/

形貌,细集料,显微结构,形貌

的比例为 69.67%（不超过 75%），属于粉砂，加权平均粒径 0.17mm，不均匀系数大于 10，粒径分布较为分散，粒度不均匀。通过偏光显微镜观测四种天然砂（土）细集料的显微结构形貌如图2-7所示。由图可知，细砂Ⅰ、细砂Ⅱ、细砂Ⅲ多呈棱角状，棱角较为鲜明，颗粒呈不规则形状，圆度较差；黄土颗粒无明显棱角。（a）细砂Ⅰ （b）细砂Ⅱ（c）细砂Ⅲ （d）黄土图2-7 细集料显微结构形貌Fig2-7 Microstructure of fine aggregate2）细集料的密度及矿物成分四种不同天然砂（土）的密度及其含水率见表 2-5。其中细砂Ⅱ的粒径小且分布集中，堆积密度最大，黄土以粉土为主，堆积密度最小。表 2-5 四种天然砂（土）的部分物理性质Table2-5 Part physical properties of four natural sands天然砂（土）项目细砂Ⅰ 细砂Ⅱ 细砂Ⅲ 黄土堆积密度/kg·m-31608 1704 1643 1488天然含水率/% 4.27 5.47 4.75 5.33（a）细砂（b）粉土图2-8 天然砂（土）的XRD图谱Fig2-8 XRD spectra of natural sand0 10 20 30 40 50 60 70 80 900100020003000400050002222

【相似文献】