基于重复正交试验的风积砂膏体充填材料配比

为找到适合陕北沙沟岔煤矿充填开采需要的高质量、低价格的膏体充填材料,选用风积砂作为充填骨料,以(粉煤灰、水泥、风积砂)掺量及料浆质量浓度4种因素为对象,每个对象取3个水平,采用重复正交试验研究其对充填材料坍落度、泌水率以及7 d和28 d抗压强度的影响。结果表明:料浆质量浓度对坍落度和泌水率影响最为显著,其余因素影响较小,当选取74%和76%的料浆质量浓度时均符合坍落度和泌水率要求;通过极差和方差分析得出,对充填体7 d和28 d抗压强度影响最显著的因素是水泥掺量,其次是粉煤灰的掺量,再次是风积砂掺量,但当风积砂掺量大于45%,不同龄期抗压强度则逐渐降低,最后料浆质量浓度对抗压强度影响最小。综合分析得到最优配比:粉煤灰为440 kg/m~3,水泥为220 kg/m~3,风积砂为45%,质量浓度为76%。     

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。     

原料配比对煤矸石膏体工作性能和抗压强度的影响

针对充填材料成本过高、性能欠优的状况，结合煤矸石等大宗固废资源化再利用等问题，以煤矸石为骨料，粉煤灰、矿渣和水泥为胶凝材料，聚羧酸减水剂和水玻璃为外加剂，制备早强型煤矸石膏体充填材料。重点研究了胶凝材料用量及配比对煤矸石膏体工作性能和抗压强度的影响，结果表明，随着胶凝材料用量的减少，新鲜膏体坍落度先增大后减小，泌水率先减小后增大，胶凝材料最佳用量约为25%;随着胶凝材料中水泥掺比量的减少和矿渣用量的增加，膏体坍落度小幅增加，膏体试块3～28 d的抗压强度稳步上升，煤矸石膏体制备原料最优配比为煤矸石∶粉煤灰∶矿渣粉∶水泥=75∶13∶6∶6,而新鲜膏体坍落度为26.5 cm, 1 h后坍落度为25.1 cm,泌水率为6.21%,膏体无分层离析现象；膏体2 h后抗压强度可达0.06 MPa, 28 d抗压强度可达10.5 MPa。     

矿山固体废弃物制备高强度膏体充填材料的实验研究

为充分利用矿山固体废弃物进行深部膏体充填开采,以煤矸石、粉煤灰、尾砂和水泥为原料,制备高强度膏体充填材料,采用正交设计手段进行配合比设计,并采用坍落度实验和单轴压缩实验测试了不同配合比条件下膏体充填材料的坍落度、强度和弹性模量,基于实验数据进行了极差分析,探讨了质量分数、水胶比、砂率和粉煤灰用量对膏体充填材料性能的影响,确定了最优配合比。研究结果表明,采用煤矸石、尾砂、粉煤灰和水泥为原料,可以制备高强度满足深部开采要求的膏体充填材料,当质量分数为80%、水胶比为2、砂率为80%、粉煤灰用量为150 kg/m3时为最优配合比,此时坍落度为209 mm,28 d抗压强度为10.40 MPa,弹性模量为7.15 GPa,能够满足深部膏体充填开采的要求。     

基于响应面法的采空区膏体充填材料强度影响因素研究

以大同东周窑煤矿采空区膏体充填材料为研究对象，通过室内流动性试验、保水性试验、抗压强度试验确定了煤矸石粉掺量、水泥掺量、减水剂掺量的配比。使用响应面软件设计了膏体材料试验方案，探究以煤矸石为主要成份的膏体材料在煤矸石粉掺量、水泥掺量、减水剂掺量3种因素及各因素两两交互作用下对膏体材料强度的影响规律，建立了3、7、28 d养护龄期的膏体材料强度与3种因素间的响应面回归模型，得到了膏体材料最佳配比。试验结果表明：水泥是膏体材料强度的最重要影响因素；水泥与减水剂的交互作用对膏体材料强度影响最大；膏体材料最佳材料配比为：煤矸粉掺量为10%、水泥掺量为11.7%、减水剂掺量为0.926%。     

粉煤灰对煤矿充填膏体性能的影响

为探讨粉煤灰对煤矿充填膏体性能的影响,试验采用坍落度试验和流变试验综合评价膏体流变性,通过干缩变形研究其长期稳定性及对接顶性能的影响,研究了水泥、煤矸石用量及膏体浓度不变的情况下粉煤灰掺量64.2%~69.8%,膏体流变性、泌水率、抗压强度和干缩率的变化情况。结果表明:1随粉煤灰掺量的增加,膏体流变性减弱,黏聚性增强,泌水率减小。2随粉煤灰掺量的增大,不同龄期膏体抗压强度变化不同,3 d强度变化不大,在0.5 MPa左右;7 d强度呈先增后降的趋势,在66.7%掺量时最大达到2.5 MPa;14 d强度于67.8%掺量前在4 MPa上下变化,在68.9%掺量时达到6.9 MPa;28 d强度发展缓慢,与14 d变化趋势相似。7~14 d水化作用显著,强度增长量能达到28 d强度的40%~60%。3膏体的干缩量随粉煤灰用量增加而减小,与龄期近似满足对数关系。且膏体干缩量曲线160 d开始趋于平稳,干缩率不超过0.2%。     

风积砂似膏体煤矿充填材料特性试验研究

通过对风积砂的取样和试验,分析风积砂似膏体料浆的反应机理,再通过试验研究不同风积砂和辅料掺量对充填材料特性的影响。试验结果表明:风积砂主要成分为SiO2和Al2O3,粒径级配不良,随着风积砂掺量的增加,充填体的表观密度增加23.4%,材料成本下降至93元/m3,降低了25.6%;随着辅料掺量的增加,充填体28 d强度增加59.4%,结石率增加至109.5%,增加了23%,充填体表现为微膨胀。     

基于均匀试验与智能算法的全固废充填胶凝材料制备

为了制备满足矿山要求的超细尾砂全固废充填胶凝材料, 基于均匀设计方案, 开展了全固废充填胶凝材料激发剂配比的胶结体强度试验, 结果表明, 矿渣粉配比量为全尾砂胶结充填体7 d及28 d抗压强度的主要影响因素, 脱硫石膏配比量对充填体7 d抗压强度影响较大, 而钢渣配比量影响28 d抗压强度。建立了胶凝材料配比优化模型, 利用智能算法的全局寻优, 获得低成本全固废充填胶凝材料最优配比为: 脱硫石膏20%、钢渣微粉33%、粉煤灰25%、矿渣微粉22%, 材料成本为34.92元/m³;根据该配比进行了室内制备试验, 结果显示, 充填体7 d和28 d抗压强度分别达到1.38 MPa和3.56 MPa, 并且随着反应龄期增加, 该材料体系中C-S-H凝胶和钙矾石的质量损失从3.64%增加到8.7%, 充填体强度呈增加趋势。采用该方法制备的胶凝材料能满足矿山要求。     

掺土充填材料力学特性研究及数值反分析

针对小保当煤矿充填开采需要研制清洁、高效、经济的充填材料。使用黄土、粉煤灰与一定量矸石混合制备矸石膏体充填材料(GCPB), 通过系列室内试验及数值模拟研究了GCPB的流变特性、流动特征、单轴抗压强度及破坏演化规律。结果表明:不同配比GCPB料浆均符合H-B流变模型,屈服应力随黄土掺量的增加而增大(92.41→155.42pa),黄土掺量大于15wt%时满足矸石沉降要求; 坍落度随黄土掺量的增加先增加后降低(LF-1→LF-4→LF-6: 219→276→258mm)；28d抗压强度随黄土掺量的增加而降低(4.09→2.14Mpa),坍落度及抗压强度均满足矿山充填开采要求；充填体的破坏模式随黄土掺量的增加由张拉破坏主导转向由剪切-张拉破坏主导,破坏阶段均表现出峰前弹性能积聚峰后转变为耗散能急速上升的特性。     

采空区粉煤灰泡沫混凝土充填体的试验研究

以普通硅酸盐水泥、发泡剂、粉煤灰和外加剂为原料,通过室内试验方法制备采空区膏体充填材料,并对其性能指标进行研究分析。结果表明,粉煤掺量为0~50%、绝干密度为200~500 kg/m3时,粉煤灰泡沫混凝土抗压强度在0.4~2.8 MPa变化,抗剪强度在0.05~0.35 MPa变化,采用不同配比获得充填体强度能够满足一般采空区充填要求;随着泡沫掺入量及粉煤灰替换率的增加,能够得到同质量下普通混凝土体积3~7倍以上的充填体,说明在满足充填体强度要求条件下,该充填体利用率较高。该充填体具有较好的变形能力和延性,适合采空区充填。     

煤矸石膏体巷旁充填材料的研究

煤矸石膏体充填材料由煤矸石、粉煤灰、PL膏体胶结料和水组成.在目前PL膏体胶结料基础上,通过正交设计试验,改变煤矸石、膏体胶结料的用量,调整水灰比,测定充填材料的坍落度和抗压强度(1 d、3 d和7 d),在满足沿空留巷所需的力学性能条件下,得出了一种较为合理的配比方案,以及确定合理配比的方法,为煤矸石膏体巷旁充填材料的选择与应用提供了科学的依据.     

尾矿砂膏体充填材料工作与力学性能研究

采用流变性能与单轴抗压强度试验对5种配合比的膏体充填材料进行了测试,结果表明:以尾矿砂、粉煤灰、水泥为主要原料能够制备出满足采空区回填工作与力学性能要求的膏体充填材料;随粉煤灰掺量增加,膏体的屈服应力降低,塑性黏度无明显变化;随水泥用量增加,膏体的屈服应力与塑性黏度均降低,但在添加一定量水泥后,屈服应力有增长的趋势;随粉煤灰掺量增加,膏体早期强度降低,而随水泥用量增加,膏体的早期强度增大。     

矸石膏体充填材料配比优化

为了合理确定岱庄矿矸石膏体充填材料的合理配比,采用均匀设计方法开展了28组实验,研究粉煤灰、水泥、矸石的不同配比对膏体坍落度、分层度、泌水率、充填体早期强度和长期强度的影响规律。基于关键层理论提出了充填体长期强度的计算公式,并采用Matlab软件拟合出了矸石膏体充填最优配比,即粉煤灰∶水泥为3.2、矸石∶水泥为4.5、料浆质量浓度为75.3%。该条件下对应的充填性能参数分别为:坍落度184.44 mm、分层度13.87 mm、泌水率1.48%、充填体早期强度0.16 MPa、充填体长期强度3.89 MPa,与实验结果基本吻合。     

大掺量粉煤灰充填材料优化配比及性能研究

为获得一种经济、环保、高性能的浆体充填材料,以粉煤灰作主要材料,水泥、矿渣、石灰为辅助材料,采用正交试验方案,进行粉煤灰充填材料优化配比试验,探讨了水泥掺量、粉煤灰掺量、料浆质量浓度、石灰掺量对充填体流动性、凝结时间、抗压强度的影响,并对测试结果进行极差分析,结果表明:当水泥∶矿渣∶粉煤灰=6∶4∶90,石灰掺量为2%,质量浓度为62%时,充填材料各项性能指标均达到最优。     

减水剂对全尾砂胶结膏体充填材料性能的影响研究

对减水剂对全尾砂胶结膏体充填材料性能的影响进行了研究,采用压汞测孔仪(AutoporeⅣ9500)测定了固化体的总孔隙率和孔径分布。试验结果表明:当料浆坍落度为180mm且水泥掺量分别为3%、5%和7%(以总固体质量计)时,与未掺减水剂相比,掺减水剂能使料浆的固体浓度分别提高4.3%、3.9%和4.1%,能使固化体28d抗压强度分别提高52%、81%和106%。当料浆坍落度为180mm、水泥掺量为5%并且养护龄期为7d、14d和28d时,与未掺减水剂相比,掺减水剂能使固化体抗压强度分别提高46%、90%和81%。结合固化体压汞测孔和抗压强度结果,得出结论:当保持料浆坍落度、水泥掺量和养护龄期相同时,与未掺减水剂相比,掺减水剂能降低固化体的总孔隙率和减小固化体的平均孔径,这可能是减水剂分散了料浆中的水泥和降低了料浆水灰比的复合作用的结果(并且水泥掺量越高或养护龄期越长,复合作用越显著),从而增加了固化体中骨料与骨料之间的黏结程度,因此提高了固化体的抗压强度。     

尾矿砂膏体充填材料毛细吸水特性试验研究

采用ISAT法与吸水动力学法测试膏体充填材料的毛细吸水特性与孔结构变化情况,结果表明:增大粉煤灰与水泥用量均能降低膏体充填材料的表层毛细吸水性,且粉煤灰的效果更显著;增大粉煤灰与水泥用量均能降低充填体的平均毛细孔径;水泥用量增加,尾砂充填体的孔径均匀性系数减小,且均匀性系数随粉煤灰掺量的增加先增大后减小;确定粉煤灰最优掺量,适当增大水泥用量,能够优化膏体充填材料的孔结构,保证其耐久性能。     

粉煤灰膏体充填材料水化放热特性的微量热测试与分析

采用TAM Air等温微量热仪对8种配比的粉煤灰膏体充填材料的水化放热速率和水化热进行了微量热测试与分析。结果表明：粉煤灰膏体充填材料水化放热速率明显表现出起始、诱导、加速、快速降速、缓慢降速和稳定等6个阶段;随粉煤灰和煤矸石掺量的增加,水化诱导和加速阶段时间延长、但放热速率和水化热降低;在所测材料配比范围内,水胶比对水化放热速率无明显影响,而添加剂仅加速了水化诱导阶段的水化放热速率。基于测试结果,在不考虑与外界热交换的理想条件下,计算出纯水泥、水泥∶粉煤灰=1∶3+添加剂和水泥∶粉煤灰∶煤矸石=1∶3∶5+添加剂等3种材料充填体7 d温度升高的理论预测值分别为69,22.9和10 ℃。     

全尾砂膏体充填粉煤灰活性效应研究

为降低膏体充填成本,提高粉煤灰利用率,以粉煤灰替代部分水泥作为膏体胶凝剂。通过化学方法激发粉煤灰活性,设计了激发剂选型实验和优化配比实验,研究了化学激发下掺粉煤灰膏体强度的变化规律,旨在解决掺粉煤灰膏体早期强度低的问题。结果表明:三乙醇胺、NaOH、CaO能有效提高粉煤灰活性,而Ca(OH)2、Na_2SO_4、CaSO_4·2H_2O和CaCl_2对粉煤灰活性激发效果不明显。不同龄期三乙醇胺的最佳掺量一致,为粉煤灰质量的1.2%;Na OH激发时掺粉煤灰膏体不同龄期的强度随其掺量增加不断提高,掺量超过3%时,强度增长速度逐渐降低;不同龄期的CaO最佳掺量不一致,3 d最佳掺量为4%、7 d为2%、14 d和28 d为6%,CaO激发膏体后期强度不显著。     

神东矿区山砂基膏体充填材料配比优化试验

为制备成本低廉、配比合理和稳定优越的膏体充填材料，以山砂作为骨料，水泥和粉煤灰作为胶凝材料，分别对充填材料的物理力学性质、化学成分、膏体流动性、速凝特性和配比进行系统研究。结果表明：神东矿区山砂颗粒粒度中等偏细，SiO₂含量较高，有利于提高充填体强度；粉煤灰颗粒超细，具备部分活性，是良好的添加辅料；山砂基膏体的推荐质量浓度为水泥∶粉煤灰∶山砂=1∶2∶6、1∶2∶10、1∶4∶15、1∶4∶20时，质量浓度分别为83%、84.5%、84%、84.5%；水泥∶粉煤灰∶山砂=1∶4∶15时，3 d龄期抗压强度为1.44 MPa,28 d龄期抗压强度可达8.88 MPa，而配比为1∶4∶20时，膏体充填体强度略有降低；充填体的早期强度较高，能够满足充填技术要求。     

石灰石粉对胶结膏体充填材料性能的影响

为满足矿山对质优价廉、不同粒度分级尾砂胶结充填材料的需求,以粗、细两种分级尾砂胶结充填材料为对象,研究了外掺粗、细、超细石灰石粉对胶结充填材料性能的影响。结果表明：固体质量浓度为65%的细粒尾砂胶结充填料和固体质量浓度为75%的粗粒尾砂胶结充填料外掺15%的超细石灰石粉,均可制成胶结膏体充填材料,其充填料的坍落度均超过200 mm、脱水率均低于2%、28 d硬化体的抗压强度在0.3～1.2 MPa、28 d硬化体沉缩率均低于2%;继续增加超细石灰石粉的掺量,充填料的坍落度和脱水率下降,28 d硬化体的抗压强度略有提升、沉缩率进一步下降。如何提高28 d硬化体的抗压强度是今后研究的重点。