新型隔水层固液耦合相似材料研制

针对中国西北地区浅埋隔水层破裂规律的物理相似模拟研究需要,根据固液耦合相似理论,以细河沙、膨润土为骨料,石膏、固体石蜡为胶结材料,甲基硅油为添加剂,经过大量配比实验,研制出873系列固液耦合相似材料。通过单轴抗压实验以及渗透性实验对873系列材料的单轴抗压强度和渗透系数进行了测定。测试结果表明,该相似材料具有低强度、遇水泥化的弱胶结性、良好的隔水性能等特点。     

黏土隔水层的应力应变全程相似模拟材料和配比实验研究

通过对榆树湾煤矿黏土和黄土隔水层岩样的力学实验,获得原型的相似应力应变全程曲线。根据以往的研究经验,确定河沙、黏土、菜籽油和水为相似配比材料,采用变单因素分析法,将沙、土、油和水进行配比实验,比对相似材料的应力应变全程曲线,考虑材料破坏的峰值强度和应变及残余强度和应变等主要因素,得出普通润滑油是理想的塑性影响剂,并获得了最佳黏土隔水层相似配比。研究实现了对黏土隔水层应力-应变全程相似,为隔水层稳定性和保水开采的相似模拟研究提供了有效方法。     

片帮煤体相似材料配比正交试验研究

易片帮煤体具有强度低、易变形、塑性强等特征,对煤体进行准确模拟是研究煤壁稳定性的关键,其相似材料的选择及配比则是模拟试验的基础。为了能够较为准确地配制出片帮煤体的相似材料,以满足大比例相似模拟试验的需求,采用正交试验方法,以骨胶比、胶结物比例及水固比作为影响试验的几个因素,对其强度及变形(弹性模量E)进行了正交试验。研究得出了材料强度、弹性模量及塑性等力学参数与配比的变化规律,确定了煤壁片帮相似材料的合理胶结物及石膏比例,为准确进行煤壁片帮机理的模拟研究提供了依据。     

新型流固耦合相似模拟材料的抗水性实验研究

相似模拟实验是研究矿井突水机理的一种重要手段,流固耦合相似模拟材料的高抗水性能至关重要。以石圪台煤矿存在顶板突水溃砂风险的工作面为对象,开展了流固耦合相似材料配比实验工作。针对实际岩层(中砂岩、砂质泥岩、粉砂岩、煤层、细砂岩),利用中粗砂、石膏、碳酸钙、石蜡和凡士林按一定配比均匀搅拌压制成试件,各组试件经自然养护后测定其渗透率,并计算渗透系数,同时结合现场隔水层渗透性参数和岩土渗透性分级标准,将渗透系数小于10-5cm/s作为抗水性良好的判别准则,共完成48组实验。研究结果表明:随着石蜡掺量增大,试件的强度变大、柔性减弱,当石蜡的掺量大于8%时抗水性能良好;在掺入8%石蜡的基础上,掺入8%凡士林可以减少试件弹性模量,增强变形能力;凡士林和石蜡的合理搭配,优势互补,可制作出抗水性能较好的流固耦合相似材料。     

石泉矿3~#煤层开采相似材料配比实验研究

为了开展矿压显现规律的研究,以石泉矿3~#煤层的开采为模型建立相似材料模拟实验进行模拟研究,为了准确得到结果,在进行实验之前对相似材料的配比进行了分析,以沙子为骨料,石膏粉为胶结剂,水、碳酸钙为辅料建立了相应的大采高相似模拟材料配比方案,从强度、密度、质量等方面对试块做出分析。结果表明,所配材料强度与干燥时间为线性关系,模拟材料质量与密度与骨料胶结物含量有关,实验结果符合本次实验要求。     

红土隔水层相似材料优化配比研究及应用

红土隔水层模拟材料的相似性是研究隔水土层裂缝发育规律的基础和前提。为提高红土隔水层相似材料模拟的相似性,以陕北榆林某矿隔水层裂缝发育规律为研究对象,采用优化配比试验、数据拟合分析和现场实测等研究方法,对红土隔水层相似材料最优配比进行研究。通过实验室测试和现场测试,验证优化前后隔水层模拟材料的相似性。研究结果表明:沙土比为1∶5,机油含量为19.5%时,相似模拟材料单轴抗压强度与红土相似度达98.5%;当骨胶比为7∶1,沙土比1∶5,相似模拟材料含水率和膨胀率与红土相似度可达85.4%和84.5%;红土隔水层相似模拟材料的最优配比为骨胶比7∶1,沙土比1∶5,机油19.5%,相似比1∶200与红土隔水层材料相似度达92.5%;实验室和现场实测验证发现,优化后红土隔水层相似材料比原相似材料模拟效果提高50%,模拟试验的隔水层裂缝发育特征与现场观测基本一致。该研究可为红土隔水层裂缝发育规律研究提供借鉴和参考。     

流-固耦合相似材料的研究

结合山东三山岛海下金矿的地质力学模型试验, 在借鉴了大量固相模型材料研究的基础上, 研制了流-固两相模型材料, 较好地解决了固体模型材料遇水容易崩解的问题。通过对相似材料进行试验, 重点研究了材料中不同骨料配比、骨料与胶结物的配比以及胶结物中胶结材料的配比等因素对试块强度的影响规律。通过调整材料配比可得到参数变化幅度较大的模型材料, 从而可用来更广泛地模拟不同的岩体材料。这些研究成果为岩石力学相似模型试验提供了参考。     

煤岩体的低强度相似材料正交配比试验研究

 本文采用正交试验的方法对煤岩体的低强度相似材料配比进行研究。选用砂子、碳酸钙、石膏配制满足煤岩体力学性质的低强度相似材料。砂胶比、胶结物比例和容重对相似材料的单轴抗压强度均有较显著影响。对试验结果的分析表明,能够利用试验结果的回归曲线方程对给定单轴抗压强度数值的低强度相似材料进行较准确的配比选择。     

废石胶结充填相似模拟试验及其强度异质分布

针对中厚矿体废石胶结充填体强度异质分布问题，以废石、水泥、水为充填材料，开展废石胶结充填配比试验及相似模拟试验，结合曲面响应法分析不同区域充填体强度的空间分布特征，并应用于实际工程。结果表明，当最佳配比中水灰比为3∶2,灰废比为1∶10时，充填体试块28 d强度为2.2 MPa;相似模型内呈现充填体强度四周高、中间低的非均质现象，采场两帮形成高强度的“充填体外壳”并提高了充填体的整体性。此外，基于相似模拟试验开展直淋式废石胶结充填工艺研究与应用，发现-150 mm全粒级废石+水泥浆直淋式废石胶结充填适用于破碎中厚矿体的安全开采。     

地下气化煤层软岩顶板相似材料研究

为了寻找适合煤炭地下气化模型实验软岩顶板的相似材料种类及材料配比,通过岩石力学性质实验获得现场顶板软岩的相关力学参数,并根据相似原理理论,以河砂为骨料、粘土和石膏为胶结物,利用正交实验和全面实验方法分析了不同材料配比下的单轴抗压强度,并与利用相似原理处理的抗压强度进行对比研究,结果表明:石膏对相似材料抗压强度的影响作用显著,且受热易粉化,不适合作为煤炭地下气化模型实验软岩顶板相似材料的胶结物;以河砂和粘土为相似材料原料时,当两者质量比为3∶1时,通过实验测得的单轴抗压强度与经过理论计算获得的抗压强度吻合,可满足模型实验对煤层软岩顶板的力学要求。     

Study on water resisting property of subsurface aquiclude in shallow coal seam mining

According to the characteristic of clay aquiclude of overburden, the proper simulation materials and proportions of mixture for simulating the plastic clay aquiclude layers were developed, and the plastic similarity conditions were setup. Thus, the similitude and simulation method in whole stress-strain was progressed. Furthermore, the simulation condition and material proportions in water reaction property and crack closing property were also put forward. Based on systematical tests, the development and distribution of mined cracks in roof and subsurface aquiclude was found and the stability of aquiclude was analyzed at all. At last, the key section and key index of aquclude stability was advanced. It is found that the movement of clay aquiclude follows the movement of the underlying bedrock layers. The basic caving mechanism of the overburden roof strata was also presented. Supported by the National Natural Science Foundation of China(50375026); the Key Program of Science and Technology of the Ministry of Education of China (204183); the Program for New Century Excellent Talents in University of China (NCET-04-0971)     

矿用尾砂固结粉在铁矿山全尾砂现场充填试验研究

为了分析和评价新型充填胶凝材料尾砂固结粉(简称矿尾粉)替代水泥用于铁矿全尾砂胶结充填法采矿的可行性与性价比, 开展了矿尾粉的现场试验, 测试了不同配比和浓度条件下的矿尾粉全尾砂充填体的单轴抗压强度, 并与水泥和胶固粉胶凝材料进行了对比分析。结果表明: 矿尾粉胶凝材料强度高、成本低、性价比高, 替代水泥用于铁矿充填法采矿, 不仅能大大降低充填采矿成本, 而且还能实现铁矿全尾砂充填, 为贫铁矿床的充填法采矿奠定基础。     

Research on downward crack closing of clay aquiclude in shallow coal seam safety mining

The water resisting property of aquiclude is the key factor of water conservation and safety mining, and the mining induced cracks in aquiclude is major factor of water resisting property. The aquiclude is composed by loess layer and red clay layer in Yushuwan Coal Mine, and the water reaction property of clay and loess of aquiclude was tested by soil mechanics method. The permeability coefficient of the loess is 0.856 m/d and the clay is 0.434 m/d. The dilatability coefficient of the loess is 16.1% and the clay is 14.6%. Through physical solid-liquid simulation with whole stress-stain similarity, the distribution of “downward crack zone” and “upward crack zone” was found to be the major factor of aquiclude stability. The downward crack closing length is about 30% of the downward crack length. The expanding of clay and loess with water are principal factors of downward crack closing. At last, the mechanical model of downward crack closing was constructed, and the criterion of crack closing was put forward at all. This work will provides the theoretical base for aquiclude stability research and safety mining in shallow seam.     

黏土隔水层仿真模拟实验加水因子影响规律研究

隔水层的采动隔水性研究是实现浅埋煤层保水开采的关键,物理相似模拟是研究的重要手段。通过选取加水因子,对黏土隔水层物理模拟实验中加水量对模型的影响程度进行了研究,得出加水因子影响规律,为实现仿真模拟奠定了基础。     

煤岩瓦斯“固-气”耦合物理模拟相似材料特性实验研究

在固体相似材料研究的基础上,利用“固-流”耦合相似理论,得出适用于煤岩瓦斯“固-气”耦合的相似条件。选用砂子为骨料,石蜡和油为胶结剂,研制出一种适用于开展“固-气”耦合模拟实验的材料。通过大量实验,对相似材料的抗压强度、脆性参数、渗透速率等物理力学进行了测试,并利用自行研制的渗透性测试装置,对不同含量胶结剂的相似材料试件渗透性进行了测试。结果表明,石蜡含量不断增大,材料抗压强度随之增大,渗透性逐渐减小;含油量的变化,消除了单纯使用石蜡时,材料抗压强度变化强烈的不足。合理调节二者之间的比例,可以模拟多种不同强度、不同渗透性的岩石。在力学参数满足模拟岩石的前提下,将研制出的新材料与原始的固相相似材料进行了渗流速度对比实验分析,得出所研制的材料能较大程度的降低气体在其中的渗流速度,并将该材料应用于煤层开采模型实验,有效的揭示了瓦斯渗透速率与上覆岩层运动之间的关系。     

全尾砂新型充填胶凝材料在月山铜矿的应用研究

根据月山铜矿的充填胶凝材料选择和充填料配比参数设计,开展了全尾砂新型胶凝材料胶结充填体和水泥胶结充填体的强度对比试验。通过研究全尾砂的基本物理力学特性,并在此基础上采用全面试验法测试了不同灰砂比、不同料浆浓度全尾砂充填体试块单轴抗压强度。结果表明:该铜矿全尾砂的中值粒径为d50=0.0426mm,大于0.074mm的尾砂占36.8%,全尾砂颗粒细;灰砂比1∶6、浓度70%、28d养护龄期的水泥胶结试块抗压强度为1.32MPa,而相同条件下新型胶凝材料胶结试块抗压强度是水泥胶结试块的3.53倍即4.66 MPa。因此,提出了适合矿山的胶结充填参数:推荐充填料浆浓度68%~70%,新型胶凝材料与全尾砂之比为1∶6~1∶8进行工业充填试验。工业试验结果表明,1#和2#钻孔充填体试样强度均能够满足月山铜矿对充填技术和充填质量的要求,且强度仍有富余,建议矿山进一步优化充填料配比,减少胶凝材料用量,从而节约充填成本。     

红土膏体充填材料及其物理特性试验研究

充填开采是实现矿山安全绿色开采的重要途径,但要求充填材料来源广泛、成本低,且必须能满足充填工艺要求,为开发新型膏体充填材料,以广西百色州景煤矿为工程背景,使用取材方便、成本较低的红土代替粉煤灰,将其与煤矸石,胶结材料混合制成红土膏体充填材料。通过试验测量不同固体材料质量比,不同干料质量分数的红土膏体充填材料的坍落度、扩展度、泌水率,并使用RYL-600剪切流变仪进行单轴压缩试验,测其抗压强度与弹性模量,进而分析红土膏体充填材料的强度特性,以及材料配比与干料质量分数对其性能的影响规律。研究结果表明:同等条件下与传统粉煤灰型充填材料相比,红土型充填材料强度差别不大,并且红土具有成本低、取材方便以及对环境无污染等优势;干料质量分数对充填体强度影响最大,当为80%时性能最优;随着红土掺量增加,充填体强度会降低,数据显示,红土与水泥质量比在1∶1、1∶2、2∶1时均满足充填要求,矸石、红土、水泥质量比为6∶2∶1时,充填材料既符合膏体充填工艺要求,又能减少充填成本。     

焦家金矿全尾砂充填体三轴试验研究

充填采矿法可有效解护采矿生产过程中尾矿库塌陷和环境污染等问题,充填材料主要以水泥作为胶结剂,但普通水泥充填体强度低、充填成本高。鉴于此,以焦家金矿全尾砂为研究对象开展充填体常规三轴试验,以水泥作为对照,对比分析矿渣基胶结剂在不同龄期(3、7、14、28 d)和不同围压(0、50、100、300、500 kPa)下的力学特性。结果表明,矿渣基充填体可有效提升充填体早期强度,其不同龄期的抗压强度均大于水泥充填体。龄期的增加促使充填体从塑性向脆性的转化,围压的增加促使充填体从脆性向塑性的转化。Mogi-Coulomb强度准则比Mohr-Coulomb强度准则更适用于评估焦家金矿全尾砂充填体力学特性随着围压的增加,充填体的破坏特征从张拉破坏到剪切破坏,破坏裂纹分布密度减小；龄期对充填体破坏模式影响不大。试验结果表明矿渣基可解决充填体强度低、固体废弃物堆存等问题,有利于矿山企业可持续发展。     

宁东侏罗系煤层顶板粗粒含水砂岩特性研究

相似模拟实验研究一直是保水开采的主要实验手段之一,其中相似材料与岩石之间力学参数的相似度尤为关键。宁东煤田属于我国典型的生态脆弱矿区,该区域主采煤层为侏罗系煤层,其顶底板广泛分布着成岩程度低且富含黏土矿物的一类特殊砂岩,该层砂岩在采动、吸水-失水动态循环作用下呈现软岩力学特征。选取其中的一类含水砂岩为研究对象,通过分析该含水砂岩岩石成分和结构特征确定其为粗粒泥质长石砂岩,并分析认为其形成于快速堆积的沉积环境;利用X衍射仪定量分析其矿物组分,发现该含水砂岩主要由黏土矿物、石英和长石组成,其中黏土矿物富含蒙脱石、伊蒙混层及绿泥石等吸水易膨胀组分;利用MTS伺服控制试验机研究了该类砂岩三轴抗压强度及渗透特性,发现其具有明显的塑性破坏特征;且饱水含水砂岩渗透率有突变点存在,突变点后渗透率大致恒定直至试件破坏时渗透率增至最大值;进一步研究了含水率对该含水砂岩单轴压缩变形特征的影响规律,发现含水砂岩单轴抗压强度、弹性模量与含水率负线性相关。     

利用磷石膏开发替代水泥的早强充填胶凝材料

金川矿山周边堆放有大量的固体废弃物磷石膏,而金川矿山充填法采矿对胶凝材料有大量的需求。为了降低充填采矿成本,实现废弃物的资源化利用,保护矿山环境,以磷石膏为主要原料,进行了早强型充填胶凝材料的开发研究,并依据磷石膏基胶凝材料水化3 d的SEM图片对胶凝材料的水化机理进行了分析。结果表明,胶凝材料中生石灰、NaOH、磷石膏、芒硝的质量分数分别为4%、2%、30%和1.5%的情况下,3、7、28 d的抗压强度分别为3.46、5.57、9.56 MPa,早期强度明显超过设计要求。SEM分析表明,磷石膏基胶凝材料水化反应生成水化硅酸钙凝胶和钙矾石对充填体的强度起着决定性的作用。该磷石膏基早强型胶凝材料可替代现场的32.5#水泥。