新型巷旁充填材料研究

研制性能优良、成本低廉的充填材料是巷旁充填的关键技术。本文介绍了一种新型巷以填材料－以煤矸石、粉煤灰为主体的天然硬石膏混合充填材料，其胶凝与力学性能及配比参数优化试验研究，并阐述了该充填材料应用前景。     

全尾砂高浓度充填料浆的流变特性

全尾砂高浓度充填料浆属于高粘塑性非牛顿流体，充填料浆中材料的配比选择、料浆浓度等因素，影响料浆在外加剪切力作用下的流变性质、管路输送中的稳定程度和阻力大小，通过对试验数据的分析，研究全尾砂高浓度充填料浆的屈服应力、触变性、流动曲线、临界雷诺粘、粘度系数和输送阻力等流变特性，为我国在金属矿山应用全尾砂高浓度充填技术提供参考。     

黄河库区泥沙制备煤矿充填材料的配合比设计及性能试验研究

黄河库区泥沙淤积严重,黄河周边煤矿采空区塌陷事故频繁发生,急需充填加固.基于此,将小浪底库区泥沙作为骨料,加入水泥、粉煤灰及减水剂、促凝剂和激发剂3种外加剂,配制充填材料,用以解决库区泥沙淤积和煤矿采空区塌陷等问题.试验结果表明,在普通硅酸盐水泥400 kg/m3、粉煤灰400 kg/m3、泥沙800 kg/m3、水400 kg/m3、添加外加剂的情况下,配制得到的充填料浆坍落度适中,流动性较好,凝结时间符合要求,无泌水、离析等现象,28 d强度也比较理想,达到了较好的充填效果.     

尾砂胶结充填应用粉煤灰的机理及试验研究

文章分析了矿山尾砂胶结充填的工艺特点和强度特性，进行了尾砂胶结充填掺用粉煤灰的强度试验和工业试验，证明粉煤灰能够显著提高尾砂胶结充填体力学性能。在此基础上，探讨了粉煤灰胶凝作用、充填作用、稳定作用、减水作用对尾砂胶结充填体力学性能影响的物化机理。理论和试验表明：尾砂胶结充填应用粉煤灰技术可行、经济合理，是矿山胶结充填节约水泥、降低成本的有效途径。     

东乡铜矿V矿体采矿方法优选和尾砂矿胶结充填体强度研究

用多目标决策法对东乡铜矿V矿体的采矿法方案及其技经指标进行模糊优选,优选出的分段空场事后一次充填法是可直接用于矿山生产的采矿法方案;继之用复荷法光弹性模拟实验对该方案的地压管理进行定性和定量分析,并用反转应力释放法和边界元法对充填体和围岩的应力分布规律进行数值分析,得出了具有实用价值的充填体强度值;然后围绕“如何降低充填成本”这个主题,从充填工艺、充填力学及充填材料作用机理等方面开展试验研究,并将木钙引入试验。通过大量试验,揭示了粉煤灰、木钙的作用机理及粉煤灰木钙“双掺”的     

磷尾矿胶结充填材料力学性能与水化过程研究

将重介质选矿产生的磷尾矿破碎至5 mm以下后与粉煤灰、水泥按一定比例混合制备胶结充填材料。通过X射线衍射(XRD)、综合热分析(TG/DSC)、扫描电镜(SEM)等技术手段,对磷尾矿和粉煤灰的化学成分和矿物成分进行分析,对优化配比的胶结充填材料不同龄期的力学性能与水化过程的关系进行研究。结果表明:磷尾矿受粒径和活性物质的影响,活性较低。而粉煤灰具有一定的火山灰活性。胶结充填材料的水化反应包括:水泥的水化反应,粉煤灰、少量磷尾矿的火山灰反应。以上水化反应生成的钙矾石(AFt)和水化硅(铝)酸盐(C-S-H)凝胶与分散的磷尾矿、未反应的粉煤灰等联结起来,构成牢固紧密的整体,具有较好的力学性能。     

金川镍矿混合充填集料胶结充填体强度试验研究

针对金川矿山棒磨砂充填集料存在的成本高和供不应求的矛盾,开展了棒磨砂、戈壁砂和尾砂3种充填集料不同配比的混合集料胶结充填体强度试验研究。通过9组混合充填集料的胶结充填体强度试验和数据分析,揭示了影响胶结充填体强度的因素与规律。研究结果表明:合理添加尾砂的棒磨砂和戈壁砂混合充填料,不仅可以提高充填体强度,而且还能够减小充填料浆的分层和离析,有利于提高充填体整体质量。通过建立神经网络模型,进行不同配比的混合集料胶结充填体强度预测和回归分析,获得了满足金川矿山充填法采矿安全高效生产的充填材料配比:灰砂比为1∶4、料浆浓度大于80.8%、混合集料平均粒径不大于1.692 mm和非均匀系数不小于38.4,由此对应的3 d充填体试块密度不小于2.24 g/cm3。该研究成果为混合集料在金川镍矿充填采矿奠定了基础。     

矸石基胶结充填材料重金属浸出及其固化机制

为探究胶结充填开采技术对矸石与粉煤灰中重金属的浸出和固化机制,通过测试不同粒径矸石基胶结充填材料(G-CPB)抗压强度、重金属含量和浸出毒性,并结合红外光谱(FTIR)、扫描电镜(SEM)和能谱(EDS)等手段,揭示了矸石粒径对材料抗压强度的影响规律,分析出块状矸石基胶结充填材料内部重金属浸出机理,总结了矸石基胶结充填材料对原材料内部重金属的固化机制.结果表明:矸石基胶结充填材料抗压强度随着粒径的增大呈先升高后降低的趋势;粉煤灰的生态风险程度为很强,矸石的生态风险程度为轻微;在浸泡条件下矸石基胶结充填材料中的Cd在前期的释放机理为延迟扩散或溶解作用,释放中期为溶解和扩散作用,释放后期为耗竭作用;固化机制主要有4种,分别为水化产物的物理包裹、碱性环境、吸附作用以及化学固定.     

多目标条件下矿山充填材料配比优化实验

为准确确定某铁矿尾砂胶结充填材料最优配比,分别选择制浆水性、砂灰质量比和料浆质量浓度与充填体强度、料浆坍落度和料浆泌水率作为尾砂胶结充填材料配比优化的影响因素和充填性能评价指标.基于响应面–满意度函数耦合理论,采用Box-Behnken实验设计方法开展13组不同充填配比实验,构建充填性能评价指标的响应面函数,研究各影响因素与目标响应量的相关关系及多目标条件下的最优充填材料配比.结果表明,制浆水性对响应量影响不显著;砂灰质量比对充填体强度影响极显著;坍落度受料浆质量浓度、砂灰质量比影响较显著;砂灰质量比和料浆质量浓度对料浆泌水率的影响均极为显著,且二者之间存在极显著的交互作用.该矿尾砂胶结充填材料最优配比为:制浆水性为海水,砂灰质量比为8.44:1,料浆质量浓度为72%,该配比条件下对应的响应量预测结果为:充填体28 d龄期单轴抗压强度为2.00 MPa,料浆塌落度为27.15 cm,料浆泌水率为7.35%,与验证实验结果基本吻合,为现场工业实验提供强有力的理论支撑.     

废石尾砂混合料浆充填启动方式与管输阻力

针对金川矿山充填法采矿,研究了废石尾砂混合充填料浆配比设计与充填工艺,解决混合粗骨料料浆充填在启动阶段存在的沉淀离析难题,为废弃物在充填采矿中应用奠定基础.分别进行细砂引流、分级尾砂引流和直接放流三种启动方式的工业试验以及管道输送阻力损失试验.结果表明,直接放流启动方式可用于混合粗骨料充填料浆在起始阶段的管道输送.根据混合粗骨料的料浆管输阻力试验,建立充填料浆管道输送阻力与管径、料浆流速和料浆浓度的关系,确定废石与尾砂配合质量比为6∶4的混合粗骨料料浆可输送上限浓度为78%.在此条件下,混合粗骨料料浆管输阻力最小.     

矿用超高水充填材料及其结构的实验研究

在对目前井下胶结充填材料充分研究的基础上,通过添加复合外加剂(缓凝剂与速凝剂),研制得到一种水的体积分数可达97%的新型超高水材料.该材料主要由A,B这2种物料构成,其中A料以硫铝酸盐水泥与复合缓凝剂为主,B料由石膏、石灰及复合速凝剂组成.材料的突出特点是在水固质量比(下简称水固比)高达11:1的情况下可凝固,终凝强度可达0.66MPa.且材料凝结时间与抗压强度可按需通过外加剂及水固比进行调整,A,B单料浆体可持续30～40h不固化,混合后浆体可快速凝固.材料具有单浆体缓凝、混合浆体速凝、早期强度高的特点,且固结体不收缩,尤其适用于矿井采空区充填.     

红泥坡铜矿全尾砂/废石充填料浆流变性及充填体强度实验研究

为探明废石掺量、灰砂比、料浆质量分数对红泥坡铜矿充填料浆流变特性、充填体单轴抗压强度的影响规律,开展了不同配比的充填料浆流变与充填体单轴抗压强度实验,得到了充填料浆流变参数及充填体单轴抗压强度值,在此基础上构建了红泥坡铜矿全尾砂-废石复合充填料浆流变模型,并对充填体强度值进行了拟合、预测与分析,结果表明:废石的添加会降低料浆的剪切应力与表观黏度,水泥掺量与料浆质量分数的提高会增加料浆的剪切应力与表观黏度;随着废石掺量的增加,充填料浆"临界质量分数"逐渐增大;两因素交互下,灰砂比与养护龄期的交互作用对充填体强度影响较为显著;灰砂比对充填体强度影响最显著,灰砂比由1:8提升至1:4时,充填体强度增幅最高可达380％.研究结果可为红泥坡铜矿现场充填提供一定的理论支撑.     

大红山铜矿粗骨料充填料浆的高浓度判定

高浓度充填是目前主要的充填方式,粗骨料高浓度充填料浆性质复杂、影响因素多,而且某些参数的变化又不易控制,所以粗骨料充填料浆的高浓度判定仍是一大难题.本文结合目前国内外的研究现状给出了粗骨料高浓度充填料浆判定式.采用大红山铜矿废石与分级尾砂为材料进行验证,首先通过级配分析,选用最优配合比(废石∶分级尾砂为7∶3)配置料浆,进行抗离析性、泌水性观察以及坍落度试验,同时计算出高浓度充填料浆判定式对应值,最终选出符合要求的实验组,确定判定式的上下限.实验结果表明本文提出的粗骨料高浓度充填料浆判定式合理,且准确度很高,具有实际应用价值.     

红泥坡铜矿全尾砂/废石充填料浆流变性及充填体强度实验研究

为探明废石掺量、灰砂比、料浆质量分数对红泥坡铜矿充填料浆流变特性、充填体单轴抗压强度的影响规律,开展了不同配比的充填料浆流变与充填体单轴抗压强度实验,得到了充填料浆流变参数及充填体单轴抗压强度值,在此基础上构建了红泥坡铜矿全尾砂-废石复合充填料浆流变模型,并对充填体强度值进行了拟合、预测与分析,结果表明:废石的添加会降低料浆的剪切应力与表观黏度,水泥掺量与料浆质量分数的提高会增加料浆的剪切应力与表观黏度;随着废石掺量的增加,充填料浆"临界质量分数"逐渐增大;两因素交互下,灰砂比与养护龄期的交互作用对充填体强度影响较为显著;灰砂比对充填体强度影响最显著,灰砂比由1:8提升至1:4时,充填体强度增幅最高可达380％.研究结果可为红泥坡铜矿现场充填提供一定的理论支撑.     

金矿尾矿胶结充填用胶凝材料的制备及其性能表征

以矿渣微粉、水泥(P.O 42.5)、粉煤灰、氧化钙和硫酸钙为原料制备早强型尾矿胶结胶凝材料(尾矿胶结料),将尾矿胶结料用于胶结充填中位直径D_(50)为11.3μm的金矿细粒尾矿,表征分析充填试样的力学性能与流动性能。结果表明:相同胶砂质量比和尾矿浆固含量下,用尾矿胶结料胶结固化尾矿的效果优于P.O 42.5水泥;胶砂质量比1∶12时,充填试样28 d抗压强度为P.O 42.5水泥的4.9倍,尾矿胶结料的水化产物量高于P.O 42.5水泥;尾矿胶结料的胶砂质量比为1∶6、尾矿浆固质量分数为70%时,加入0.15%(质量分数)聚羧酸减水剂的充填料浆坍落度为278 mm,其力学性能和充填流动性能均可满足矿山充填要求。     

胶结充填料浆合理配比的确定

为了经济合理地配制胶结充填料浆,根据采用BP算法建立的充填质量模型,以及技术参数要求,确定了合理的充填料浆配比.通过实验室实验,进一步验证了确定的配比结果.     

充填复垦土壤水分竖直运动模拟研究

应用直立柱状模型模拟研究了煤矸石和粉煤灰两种充填模式下覆土层土壤水分运动特点,把充填复垦土壤水分运动过程分为3个阶段和4个层次,并通过与全部充填土壤情况下水分动态对比找出其差异性.把监测数据与应用竖直一维动力学模型计算得到的水分分布规律比较,找出了充填层对覆土层土壤水分动态产生影响的本质原因,并对充填煤矸石和粉煤灰复垦的土壤水分动力学参数进行修正.结果表明：充填煤矸石和粉煤灰复垦的土壤水分动态与正常土壤不同源于煤矸石和粉煤灰的颗粒级配与土壤的差异;覆土层土壤与充填料孔隙的差别大,其保持水分的能力反而较强,煤矸石充填不会导致覆土层水分大量渗漏.     

综合机械化固体充填采煤的充填体时间相关特性研究

采用MTS 815.02电液伺服岩石力学试验系统对综合机械化固体充填采煤技术中的矸石与粉煤灰充填体的时间相关特性进行了测试,得到了3,7,13和20MPa压力条件下矸石与粉煤灰充填体时间相关特性曲线,应用流变的基本理论,选取PTh体作为矸石与粉煤灰充填体的流变模型,并建立了流变方程;根据矸石充填体时间相关性试验结果及试验矿井的相关数据,计算得出流变参数K1,K2,η,并得到综合机械化固体充填采煤工作面顶板的下沉量与时间的具体流变方程,根据流变方程得出了综合机械化固体充填采煤工作面顶板的下沉量与时间关系曲线,并得出当经历1 000h(约40d)之后,充填体流变进入稳定阶段,其变形量逐渐趋于定值,最大值约340mm.     

泡沫混凝土多孔性与单轴抗压力学试验研究

轻质材料泡沫混凝土存在较多封闭孔隙,具有在煤矿采空区充填的推广价值,且具备大量利用工业废物(如粉煤灰、矿渣和煤矸石等)的潜质.课题组研究制备了一种能卸压的泡沫混凝土材料,并通过室内试验及压缩特性研究,对泡沫多孔混凝土材料压缩力学特征进行了分析探讨.     

似膏体粘弹塑性流变模型与流变方程研究

以浆体流变力学，粘弹性力学为基础，通过对似膏体充填料浆的微观结构分析。建立了其广义粘弹塑性流变模型。推导出流变方程的一般表达式；通过稳态和动态剪切条件下流变特性和流变参数的测试，得出了似膏体充填料浆的流变方程，研究结果为浆体输送的管路设计，阻力计算和参数优化等提供了理论依据。也为似膏体和其它高浓度（质量分数）浆体输送的管道损坏，机理以及解决措施的研究提供了新思路和新方法。