煤矿膏体充填材料力学变形性能的试验研究

力学变形性能的研究在煤矿膏体充填材料压缩变形研究中居于十分重要的位置。通过实验室正交试验,得出了膏体充填材料的弹性模量、横向应变、纵向应变和泊松比,并首次利用数字图像测量软件绘制了材料在单轴压缩过程中的全应力-应变曲线和泊松比曲线,为选择最佳配比的充填材料提供依据。     

充填膏体蠕变宏观硬化试验研究

为探索煤矿充填膏体的长期强度特征,采用水泥、粉煤灰、煤矸石等材料按照1∶4∶6配比制成充填膏体试件,对其进行了单轴压缩与蠕变试验。基于试验结果,分析了充填膏体试件的物理特性、蠕变瞬时变形模量等参数变化规律。研究表明:充填膏体致密性差、可压缩性强,在缓慢加载过程中试件趋于均匀、致密;蠕变试验过程中,在破坏前的各级应力水平上,随着应力水平提高和变形增加,充填膏体试件的瞬时变形模量增大,增长率为1.77×105%;同时,每级应力水平下弹性应变阶段的应变率随应力水平提高而逐渐减小;充填膏体蠕变强度大于单轴抗压强度,平均蠕变系数为1.09,充填膏体在蠕变过程中强度发生了宏观硬化。     

深井开采充填体抗压强度试验研究

结合金川矿区深井开采复杂条件,选取典型区域进行充填体现场取样。确定了充填体抗压试验方案,选择INSTRON1346电液压伺服材料试验机分别对高浓度砂浆充填材料和分级尾砂膏体充填材料试件进行了抗压试验。研究表明,高浓度砂浆充填材料的最大载荷和最大抗压强度均大于分级尾砂膏体充填材料的相应值,两种试件破坏时的最大位移基本相同,研究结果为矿山制定不同采场充填体选择方案提供了重要的依据。     

膏体充填技术现状及趋势

膏体充填技术是充填关键设备突破和井下采矿需求共同发展的产物,该技术在我国得到迅速推广应用。随着膏体技术应用逐渐成熟,其正朝着精细化研究方向发展,旨在提高充填质量、降低充填成本。叙述了膏体充填概念、工艺特点及技术优势,介绍了膏体充填技术在国内外的发展历程和应用现状。对新型胶凝材料、全尾砂脱水技术、膏体流变学、硬化膏体多场性能和膏体微观性能等热点方向研究现状进行了分析。同时,对新疆伽师铜矿和赞比亚谦比希铜矿膏体充填系统做了介绍。最后,提出了膏体充填技术在中国的发展趋势。     

不同含水率膏体充填材料的单轴压缩试验研究

随着我国矿产资源需求的持续攀升和绿色矿山建设的提速,膏体充填技术展现出广阔的应用前景。然而,关于膏体充填材料在不同含水状态下力学行为的研究较少。为研究不同含水率对低水泥含量膏体充填材料单轴压缩力学行为的影响,以全尾砂、水泥和水为材料制备了3%和5%两种水泥含量的充填体试件(水泥含量3%、5%为水泥质量占尾砂质量的百分比),使用RPH-80型可控式恒温恒湿试验箱将试件分组改造成含水率分别为0、13%、25%和36%的充填体试件后,使用TAW-200多功能力学试验机进行恒定位移加载的单轴压缩试验。试验结果表明：随着含水率的升高,充填体的强度下降,且下降速度逐渐加快,使用二次多项式可以较好地拟合单轴抗压强度和含水率之间的关系,2种水泥含量试件的单轴抗压强度的下降趋势与速度较为相似,且5%水泥含量膏体充填体的抗压强度在不同含水率下始终高于3%水泥含量充填体。另一方面,随着含水率的升高,充填体弹性模量降低,峰值应变点先升高后降低。通过充填体非线性指数衡量不同含水率下膏体充填材料应力-应变曲线的非线性程度,发现2种水泥含量下的充填体均在含水率为25%时表现出较高的非线性,利用好充填材料非线性的特点...     

矸石膏体充填材料力学特性试验

以淄博矿业集团岱庄煤矿膏体充填为研究背景,在对煤矸石、粉煤灰等充填材料物化性能研究的基础上,通过均匀试验得出了膏体充填材料最优配比,同时对养护28 d后的膏体材料力学性能进行了系统研究并与所置换的煤的力学性能做了对比分析。研究结果表明膏体充填材料在有围压作用下有较高的残余强度,表现出明显塑性强化特征,同时得出膏体材料的内摩擦角和黏结系数;与充填置换的煤的力学性能对比表明膏体材料塑性变形比煤更显著。     

充填膏体蠕变损伤模型研究

为研究充填膏体的蠕变特性,对以水泥、粉煤灰、煤矸石制备的充填膏体试件进行分级加载蠕变试验,试验结果表明,充填膏体具有较大的瞬时弹性变形,变形值随应力水平的提高而增加;蠕变阶段表现为明显的减速蠕变阶段和等速蠕变阶段,蠕变变形随应力水平的提高而增加。根据实验结果,确定用Burgers模型描述充填膏体的蠕变过程,并采用一种新的损伤模型的建立方法,推导出基于Burgers模型的蠕变损伤方程,建立蠕变损伤模型。使用Origin软件对试验结果进行拟合以确定模型参数,结果表明,建立的模型曲线与试验结果吻合良好,该蠕变损伤模型能够较好反映考虑损伤的充填膏体的蠕变特性。     

建筑垃圾再生骨料膏体充填环管试验

在煤矿膏体泵送充填开采理论技术基础上,为分析以建筑垃圾为骨料、粉煤灰和添加剂为细集料的膏体充填材料的基本性能变化和流变特性,利用室内膏体充填模拟系统进行了膏体充填材料的配比试验和管道输送试验。膏体充填材料配比为添加剂∶粉煤灰∶建筑垃圾=1∶4∶6,试验采用质量浓度自高到低加水调制方案,操作包括3个步骤：试验准备、膏体充填材料制备、泵送试验和数据采集。试验结果表明：该种膏体充填材料的塌落度和分层度随泵送时间的增长而减小,质量浓度则稍有增加,经4 h管道输送后,质量浓度为76%的膏体充填材料塌落度、分层度分别达到18.5 cm、0.9 cm;膏体质量浓度、流速和充填管径是充填管道阻力损失的主要影响因素,质量浓度为76%,流速在0.8~1.1 m/s之间较为理想。     

矸石膏体充填材料耐久性试验研究

为探究研石膏体耐久性,将水泥:粉煤灰:煤研石按1:4:6的比例混合,质量浓度为74%,配制成膏体,对28d膏体充填体进行抗侵蚀性、抗渗性和热稳定性等耐久性试验。试验结果表明:充填体试件对碱有良好的抗侵蚀性能,酸和盐对充填体试件初期强度影响较大;充填体的抗渗标号为P6,抗渗等级较弱;充填体试件在30℃,60℃的温度下,其抗压强度略有上升,在90℃,120℃,150℃的温度下,抗压强度下降较为明显,热稳定性差。配制的膏体更加适合我国北部矿井(井下水环境偏碱性)及井下温度较高的深部矿井。     

矸石膏体充填材料耐久性试验研究

为探究研石膏体耐久性,将水泥:粉煤灰:煤研石按1:4:6的比例混合,质量浓度为74%,配制成膏体,对28d膏体充填体进行抗侵蚀性、抗渗性和热稳定性等耐久性试验。试验结果表明:充填体试件对碱有良好的抗侵蚀性能,酸和盐对充填体试件初期强度影响较大;充填体的抗渗标号为P6,抗渗等级较弱;充填体试件在30℃,60℃的温度下,其抗压强度略有上升,在90℃,120℃,150℃的温度下,抗压强度下降较为明显,热稳定性差。配制的膏体更加适合我国北部矿井(井下水环境偏碱性)及井下温度较高的深部矿井。     

基于数字图像相关技术的巷道模型变形监测试验

建立了基于数字图像相关技术(DIC)的矿山巷道模型变形监测与分析系统,对直墙半圆拱形巷道的模型试件在单轴竖向压缩载荷下的变形进行了二维(2D-DIC)测量和三维(3D-DIC)测量,分析了试件的平面内变形和离面位移,揭示了离面位移对2D-DIC测量结果的影响。试验表明进行模型的受压变形监测时,3D-DIC技术的测量结果更准确,当采用2D-DIC技术测量时,应尽量避免或减少试件的离面位移。研究丰富了实验室内巷道模型测试手段,对数字图像相关技术在矿山模型试验中的应用具有指导和参考价值。     

矸石粉替代粉煤灰膏体充填材料性能研究

针对传统煤矿膏体充填材料对粉煤灰的需求量较大、成本较高的问题，研究矸石粉替代粉煤灰作为辅料时的膏体充填材料性能，采用正交试验方法以及MATLAB进行线性回归预测和3D可视化模型的建立，分析水掺量和水泥掺量对膏体充填材料流动性和力学性能的影响规律。试验结果表明：随着水泥掺量的增加，充填料浆流动性缓慢下降，同龄期抗压强度也持续缓慢增加，且1～3d变化较明显，3～28d变化较小|水掺量是影响流动性的主要因素，尤其是对充填料浆的扩展度的影响最为明显，随着水掺量的增加，同龄期抗压强度在显著减少，且龄期越长，结果越为明显。综合分析得出最优配比为15%水泥掺量，23%水掺量的充填材料，既满足充填强度要求也满足膏体的流动性要求。     

似膏体材料巷式充填地表减沉试验分析

为解决膏体材料流动性差等缺点,通过不同比例的矿粉和生石灰配比试验,研发高性能粉煤灰似膏体充填材料,并在工业性试验前通过相似模拟展开似膏体充填的地表减沉效果分析。结果表明,材料矿粉的比例为5%~10%,生石灰的质量比例为15%~10%;似膏体充填后工作面上覆岩层变形量较小,地表建筑在Ⅰ级损害范围内。     

废石-尾砂胶结膏体料浆的压力泌水效应及管输边界层厚度估算

为探究充填膏体料浆在管道输送过程中的压力泌水效应及边界层效应,对某矿废石尾砂充填膏体拌合物进行侧限压缩试验及压力泌水试验。结果表明：废石尾砂充填膏体拌合物的初始空隙率,体积浓度,所受压力及压力作用时间对压力泌水率影响巨大;根据充填料的e-p曲线的变形规律,提出了充填膏体料浆压力泌水率的计算模型,定义了影响充填膏体拌合物压力泌水效应的材料参数A和应力参数n,将级配因素引入到压泌水率计算模型中,分析了应力参数随着应力和初始空隙率的演化规律,认为应力参数是一个关于压应力和初始空隙率的多项式函数,函数的阶数越高,精度越高;认为膏体管输边界层厚度不是一成不变的,并建立基于压力泌水效应的膏体管输边界层估算方法。     

膏体—地聚物协同效应的铀尾矿井下充填处置体系构建

铀尾矿井下充填处置是铀矿“协同开采”理念的重要技术支撑，但铀尾矿复杂的物理化学性质影响了胶结充填体的固结固化特性，进而制约了铀尾矿骨料胶结充填技术的应用。基于膏体和地聚物特性的协 同效应，针对铀尾矿地表堆置和常规井下充填处置存在的问题，提出了基于地聚物分割包裹—膏体稳固协同固化的铀尾矿井下充填设想。铀尾矿井下胶结充填体的技术指标包括机械强度、化学稳定、抗浸出性、氡析 出率和增容特性，物料组成包括铀尾矿骨料、地聚物基材、矿黏合剂、外加剂、功能矿物和水等，制备与充填过程的关键工艺为铀尾矿颗粒级配重构、充填材料多元复配以及充填质量的原位监测与动态调整技术。以 某铀尾矿库尾砂、复配冶炼矿渣等材料为研究对象进行了验证试验，当水固比为0.25、灰砂比为1:4时，充填体试件在（20±1）℃、湿度≥95%条件下养护28 d后，试件的最大单轴抗压强度为17.65 MPa，表明基于地 聚物的铀尾矿膏体充填体制备具备可行性。该充填体系的构建对于促进膏体充填技术在低或极低放射性固体废弃物处置领域的应用具有一定的意义。     

基于数字图像的非接触式泊松比测试方法

针对胶结充填材料等采用传统粘贴应变片测量泊松比方法出现的无法测量或测量精度不高的问题,提出了基于数字图像相关技术的非接触式泊松比测试方法,并阐述了该测试方法的原理与测试过程。运用Vic-2D软件对CCD相机所拍摄的胶结充填试块在加载系统作用下变形破坏过程的数字图像进行计算分析,得到了全场位移变化云图。选取试块弹性范围内图片,利用测线取点功能对试块两侧和上部取点分析,计算水平位移与垂直位移。对胶结充填材料泊松比测试结果表明,养护龄期相同的同组试块泊松比相近;养护龄期不同的各组试块,随养护龄期的增加,泊松比从0.378减小到0.103。该实验的成功应用证明了非接触式泊松比测试方法的可操作性、准确性与可靠性。     

膏体充填采矿法人工假底保护层形变理论初探

地下矿山随着开采深度的不断变化,高地压、大应力产生的安全风险及固废产生的环保风险将成为制约企业安全生产的重要因素,目前众多资源开采型企业均大力推广使用膏体充填采矿法解决该风险,但膏体充填工艺发展时间较短,基础理论研究成熟度有待提升,下向式膏体充填法实施过程中时常出现假底漏筋,脱层等安全隐患。本文基于膏体充填采矿法人工假底变形理论,对影响假底形变的因素进行了分析,探讨了假底形变机理。还对假底的粘合力和线性系数进行了研究,为进一步完善膏体充填采矿法人工假底变形理论提供了理论依据。     

浅部开采尾砂膏体巷采设计与地表沉陷控制

针对我国充填开采材料来源不足的问题,通过理论分析、室内实验及现场实测等方法,系统研究了尾砂膏体充填材料特性、充填工艺,进行了尾砂膏体巷采设计及地表沉陷效果分析。研究确定了尾砂膏体优化配比为水砂比1∶5,质量浓度为70%;提出了尾砂膏体巷采方案,建立了巷采充填地表沉陷模型,解决了采煤、充填、工作面通风和安全出口问题;相似材料模拟试验表明,在巷采连采连充过程中覆岩没有冒落过程,直接顶是以微裂隙和层间离层往上发育,基本顶以弯曲下沉为主;充填体密实性、变形监测及地表移动观测表明,尾砂膏体巷采对地表沉陷控制较好。研究成果在淄博市张店区沣水镇张赵煤矿102采区进行了成功应用。