超细尾砂充填胶凝材料配比试验研究及工业应用

针对超细尾砂利用生石灰、脱硫石膏、脱硫灰渣、芒硝和矿渣开展充填胶凝材料配比试验研究。通过扫描电镜(SEM)分析,研究充填胶凝材料水化机理,确定充填胶凝材料最优配方。结果表明,超细尾砂充填胶凝材料的最优配方是:生石灰掺量6%、脱硫石膏掺量15%、脱硫灰渣掺量0%和芒硝掺量3%;充填胶凝材料胶结充填体与水泥胶结体相比,钙矾石产状物粗大,浆体结构致密,大幅提高了充填体抗压强度。通过工业试验验证,开发的超细尾砂充填胶凝材料可缩短凝结时间,适当改变胶砂比和料浆浓度,可提高充填体强度和减小沉缩率。     

石人沟铁矿全尾砂充填胶凝材料配比优化试验

河北钢铁集团石人沟铁矿三期工程采用全尾砂胶结充填采矿法开采,以水泥为胶凝材料时充填成本高。为考察采用固体废弃物开发低成本和高性能的新型充填材料的可行性,以水淬渣为胶凝材料,进行了不同原料配比对充填体强度的影响试验。结果表明：石灰掺量对充填体强度的影响大于石膏掺量;料浆浓度为68%、胶砂比为1∶5条件下,石灰掺量为3%、石膏掺量为16.0%时,得到的充填体强度最高,7 d强度为2.42 MPa,28 d强度为5.87 MPa,可以满足石人沟铁矿充填采矿对充填体强度的要求。试验结果可以为石人沟铁矿实现低成本全尾砂胶结充填开采提供技术依据。     

粉煤灰巷旁充填胶凝材料的制备与机理分析

巷旁充填材料的性能对沿空留巷充填支护效果影响显著。文章通过单因素试验研究了石膏、石灰对粉煤灰巷旁充填胶凝材料早期及后期强度的影响;对胶凝材料硬化体进行了综合热分析和扫描电镜分析,探讨了粉煤灰巷旁充填胶凝材料的水化机理。通过试验研究发现粉煤灰胶凝材料中石膏、石灰均存在一个最佳掺量,制备出的胶凝材料早期强度高,后期强度稳定,适合作为巷旁充填材料的胶凝材料。     

粉煤灰替代矿渣微粉作为胶凝材料的早期强度激发研究

粉煤灰是热电厂排放的火山灰粉体废弃物,具有潜在活性,通常用于水泥掺合料。但掺加粉煤灰的胶凝材料会降低早期强度,导致粉煤灰掺加量受到很大限制。针对金川矿山充填采用棒磨砂充填料和水泥胶凝材料,开展了粉煤灰和矿渣微粉等复合胶凝材料早期强度激发剂试验。试验设计料浆浓度为78%,胶砂比为1∶4。首先,采用生石灰、脱硫灰渣、芒硝、亚硫酸钠等复合激发剂的正交设计,进行粉煤灰和矿渣微粉早期激发作用的材料配比试验;然后,采用DPS数据处理软件,建立充填体强度与激发剂材料掺量的回归方程,并通过优化决策确定激发剂最优配比。结果显示,由质量分数分别为5%的生石灰、17.5%的脱硫灰渣、3%的芒硝、1.5%的亚硫酸钠构成的复合激发剂,胶结充填体3d强度达到2.19 MPa,大于金川矿山设计的1.5 MPa强度要求。当采用20%的粉煤灰替代矿渣微粉时,胶结充填体3d强度达到1.504 MPa,也满足金川矿山对充填体强度的要求,且28d沉缩率仅为8.68%。由此可见,充分利用粉煤灰和矿渣微粉开发充填胶凝材料,不仅可以降低充填成本,提高采矿经济效益,而且还能够保护环境,实现绿色开采。     

复合激发矿渣胶凝材料配比优选试验研究

以矿渣微粉为胶凝材料主要成分,采用正交试验结合神经网络预测的方法研究得到新型复合激发矿渣胶凝材料最优配比,盐基复合激发胶凝材料中激发剂A(盐)、激发剂B(碱)、激发剂C与矿渣微粉4种成分最优质量配比为18.3%︰3.4%︰0.8%︰77.5%;碱基复合激发胶凝材料中激发剂A(盐)、激发剂B(碱)、激发剂C与矿渣微粉4种成分最优质量配比为4%︰14.8%︰0.4%︰80.8%;掺有盐基复合激发胶凝材料的胶结充填体对抵抗收缩的贡献度最大,在收缩性能方面能达到稳定良好的效果;掺有碱基复合激发胶凝材料的胶结充填体早期和后期强度均大于盐基复合激发胶凝材料和水泥的胶结充填体早期、后期强度。     

矸石固体充填材料胶结性能的实验研究

通过对矸石粉煤灰、矸石黄土作为固体充填材料的胶结性能的实验研究,分析矸石粉煤灰、矸石黄土充填体强度性能,并以水泥作为胶结材料,重点分析了水泥对矸石黄土固体充填材料的强度影响。实验结果表明,以矸石黄土进行固体充填,充填体强度高于矸石粉煤灰充填体;在矸石黄土固体充填材料中加入水泥,并随着掺量的增加,充填体强度特别是早期强度得到大幅度提高,且可缩短充填采煤周期,降低生产成本。     

化学激发水泥-粉煤灰充填膏体胶凝性实验研究

为提高粉煤灰在矿山膏体充填中的利用率,采用控制变量法及力学分析法,分别研究了掺量为2%、4%和6%的硫酸钠和硅酸钠对水泥-粉煤灰基充填膏体的标准稠度用水量、初终凝时间以及各龄期单轴抗压强度的影响效果,使用扫描电镜分析激发后胶结体的微观结构。结果表明,两种激发剂都能增加胶凝体系的标准稠度用水量;硫酸钠可促进胶结体的早凝,且其后期强度提升显著,掺量为4%时效果最佳;硅酸钠的早凝作用优于硫酸钠,其对胶结体强度的提升主要表现在早期,最佳掺量为2%。扫描电镜结果显示,掺硫酸钠的胶结体反应前期水化产物以水化硅酸钙为主,后期针状钙矾石产量增多,充填在胶结体孔隙中;掺硅酸钠的胶结体水化前期生成大量絮状水化硅酸钙,后期基本没有新的物质产生。     

某铜铅锌矿早强胶凝材料配比试验与优化

针对某铜铅锌矿已建成的胶凝材料混料系统,采用脱硫石膏、碱性激发剂、早强剂等材料作为矿渣微粉复合激发剂,开展满足该矿充填采矿早凝、早强要求的胶凝材料配方正交试验。结果表明:脱硫石膏掺量为3%时,充填体胶结成形较好,在硫酸盐的激发作用下,矿渣中的活性成分能够不断地反应生成水硬性钙矾石(AFt);随着碱性激发剂掺量增加,胶结充填体强度显著提高,并在25%时达到最优,表明该掺量下使得矿渣水化程度较好;在此基础上,对比了几种早强剂对胶凝充填体3d强度的影响,并无增强效果;当脱硫石膏、碱性激发剂、矿渣微粉的掺量分别为3%、25%、72%时,胶结充填体3d的抗压强提高到0.69MPa,终凝时间小于30h,可满足该矿充填采矿对胶凝材料早强的要求,且成本控制在合理范围。     

粉煤灰-水泥基胶结充填体早期强度及水化机理研究

针对粉煤灰降低胶结充填体早期强度的问题,对不同粉煤灰掺量的充填试块早期强度进行测试,并采用电镜扫描和进行能谱分析,从宏观、微观上研究粉煤灰胶结体早期强度及水化反应.结果表明:粉煤灰掺量会不同程度地降低胶凝充填体早期强度.粉煤灰掺量代替10％的水泥时,胶结体早期强度降幅最大达到48.5％.随着粉煤灰掺量比例提高,充填体试块内部紧密程度降低,针状钙矾石(AFt)不能错落相叉形成网状紧密结构,整体上充填体试块内部孔隙增多,不能组成致密结构,在物化角度说明了粉煤灰-水泥基胶凝充填试块早期强度低的原因,对提高粉煤灰胶结充填材料早期强度具有一定的理论意义.     

矿渣巷旁充填胶凝材料的制备与机理分析

通过正交试验研究了石膏、石灰、硅酸钠对矿渣巷旁充填胶凝材料早期及后期强度的影响;对胶凝材料硬化体进行了综合热分析和扫描电镜分析,探讨了矿渣巷旁充填胶凝材料的水化机理。通过试验研究发现矿渣胶凝材料中石膏石灰均存在一个最佳掺量,制备出的胶凝材料早期强度高,后期强度稳定,适合作为巷旁充填材料的胶凝材料。     

水泥-粉煤灰胶结矸石充填材料的流变特性与固结机理

将粉煤灰、水泥、煤矸石和水作为充填材料进行制备矿山充填,既能实现固体废弃物的资源化利用,还能有效控制矿山采空区塌陷。本研究针对胶结矸石充填材料进行了流变测试、力学性能测试以及水化特性试验,分别研究了矸石充填材料的流变特性、抗压强度、水化产物以及微观结构。结果表明,当325普通硅酸盐水泥含量为15%、低钙粉煤灰掺量超20%、料浆质量浓度保持在77%以上时,所制备的矸石充填试样28d龄期的最小抗压强度超4.229MPa,这可以为井下充填开采提供良好的顶板支撑。其次,通过流变试验探究了粉煤灰掺量和料浆质量浓度变化对矸石充填料浆流变性能的影响,并得到了充填料浆所对应的流变参数以及流变方程拟合。此外,对矸石胶结充填材料的矿物成分、水化产物以及微观结构进行了研究。因此,该研究可以为大宗固体废弃物在矿山充填领域应用提供一定的理论指导。     

矿渣微粉对细尾砂胶结充填体力学性能及微观结构影响

研究了不同矿渣微粉掺量对充填体早期、长龄期强度以及充填料浆流动性、泌水率的影响规律,通过采用X射线衍射（XRD）、扫描电镜（SEM）等技术手段对特定龄期下充填体水化产物进行了微观表征并揭示其强度发展机制。结果表明：充填体养护早期（3d）,矿渣微粉的掺入不利于其强度的发展,且掺量越高充填体强度降低幅度越大;养护龄期超7d后,矿渣微粉对充填体强度提升作用开始显现,且充填体养护龄期越长,相同掺量下抗压强度提升效果越明显。充填浓度70%,灰砂比1:6,矿渣微粉掺量80%时,充填体养护28d、90d后抗压强度分别为5.02MPa和6.53MPa,相较养护7d充填体强度分别提高211.80%和305.59%。少量矿渣微粉的掺入在一定程度上会降低充填料浆流动性和泌水率,但当矿渣微粉掺量较高时,充填料浆流动性和泌水率均有一定程度的提高。矿渣微粉掺入后充填体内部水化硅酸钙（C-S-H）、钙矾石（3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O）等水化产物生成数量的增加,是导致其强度高于纯水泥充填体的重要原因。     

基于响应面法的充填体强度增长规律分析

为了研究充填体强度形成过程中水泥、细矸率和减水剂用量对充填体力学性能的影响,在对煤矸石、粉煤灰等充填材料物化性能分析的基础上,采用中心复合实验法研究了水泥、细矸率和减水剂用量对充填体的不同龄期强度特性影响规律,建立各个养护龄期的充填体强度响应面回归模型,为现场不同龄期的充填体强度预测提供了一个科学的方法。结果表明：在整个养护龄期内,充填体强度随着水泥、减水剂的掺量增大而增大,随着细矸率的增加而降低,但降幅不大。充填体的早期强度不仅受水泥、细矸率、减水剂的单一因素影响,而且三因素间的交互作用影响显著,其中1 d强度特性回归模型为二阶响应面,3 d强度为三元二次式。充填体中后期强度受水泥、细矸率、减水剂的单一因素影响,三因素间交互作用不明显,其对强度的影响顺序为:水泥＞减水剂＞细矸率。     

废石尾砂胶结充填材料流动与强度性能的研究

为了解决极细全尾砂作为充填骨料制备充填料浆脱水困难、充填体强度偏低的问题,通过开展废石尾砂胶结充填试验,改善充填骨料粒级组成,研究废石掺量对充填料浆流动性能及充填体强度的影响规律。结果表明:相比较全尾砂胶结充填,掺入废石可以显著改善充填料浆的流动性能,提高充填料浆的输送浓度;在相同灰砂比和浓度情况下,废石尾砂胶结充填体强度高于全尾砂胶结充填体。因此,废石尾砂胶结充填体可以降低灰砂比,减少水泥用量,消纳地表废石。在云南金厂河矿山开展工业试验,确定了充填参数为浓度80%、灰砂比1∶8、废石掺量60%,原位取芯平均抗压强度为3.36MPa,满足采场充填体强度设计要求。     

毛坪铅锌矿采场充填体放热特性试验研究

为了研究毛坪铅锌矿采场胶结充填体的水化产热及温度变化特性,基于现场采集的尾砂和机制砂,采用相似材料实验方法,配制八种不同水灰比、不同骨料比例的充填体试样,在实验室测定胶结充填体试样的温度变化曲线,然后计算充填体材料胶结过程中的水化热,最后分析充填材料水化热与产热量随时间的变化规律。结果表明：充填体试样呈现前期迅速升温,然后缓慢下降至环境温度的整体趋势;水化产热速率及温度变化与充填体材料的配比以及环境温度有关。得到的主要结论为：机制砂比例和水灰比越大,充填体材料胶结的产热量越大,而增大充填体材料的尾砂含量能有效降低充填体水化产热量;水含量对充填体的产热影响最大,因此降低水化产热量最有效的方法是降低水灰比,其次是增大骨料中的尾砂含量,为毛坪铅锌矿选择合理的充填体配比提供了依据。     

基于正交试验充填体力学性能及配比优化研究

针对矿山充填开采成本较高、尾砂和废石等固废处置困难等问题,以废石、尾砂为实验材料,通过正交试验法确定质量浓度、灰砂比及废石掺量对粗骨料胶结充填体流动性及力学性能的影响规律,并确定出合理的配比参数。结果表明：质量浓度、废石掺量及灰砂比均为充填料浆坍落度的显著性影响因素,其中质量浓度的影响最为关键;方差分析结果表明,质量浓度、灰砂比能够对充填体3d及28d抗压强度有显著性影响,而当废石掺量为5%~20%时,废石掺量对粗骨料充填体抗压强度无显著性影响;多元线性回归模型能够准确的反映出粗骨料胶结充填体抗压强度及坍落的变化规律,且构建三维可视化模型能够直观反映出质量浓度、灰砂比及废石掺量的复合作用对充填体性能的影响;基于建立的充填体配比参数寻优模型可得出一组合理的配比参数为：灰砂比为1:9.5,质量浓度为80%,废石掺量为20%。     

粉煤灰对三山岛金矿充填体强度影响的试验研究

为了研究和提高三山岛金矿分级尾砂胶结充填体的抗压强度,在充填体中加入粉煤灰及粉煤灰活化剂(CaO)以提高充填体的早期强度。设计了不同粉煤灰掺量替代胶结剂的充填体强度试验和最优粉煤灰掺量条件下不同CaO掺量的充填体强度试验,研究了粉煤灰掺量和CaO掺量与充填体强度之间的关系,并对出现这种关系的原因进行了理论分析。试验结果表明,当粉煤灰掺量为5%时,充填体试样的强度最大,充填用水中的Na⁺、Ca²⁺、Cl^-离子对提高充填体的早期强度起了关键作用。当CaO掺量为最优粉煤灰掺量的20%时,各养护龄期的充填体强度最大。最终确定三山岛金矿分级尾砂胶结充填体粉煤灰掺量为5%,粉煤灰活化剂(CaO)的掺量为20%。     

深部岩体力学与开采理论研究进展

基于煤矸石、粉煤灰等煤基固废再生资源利用和胶结充填材料性能优化问题, 研究了玻璃纤维掺量、长度和养护龄期对煤基固废胶结材料输送性能和力学性能的影响规律, 探讨了玻璃纤维增强机理。实验结果表明: 玻璃纤维改性煤基固废胶结材料坍落度随纤维长度和掺量的增大而减小, 但均大于200 mm, 满足输送性能要求; 抗压强度和抗拉强度随纤维长度的增大呈先增高后降低, 随纤维掺量的增加而增高的变化规律; 当玻璃纤维长度为6 mm、掺量为0.3%时, 质量分数为79%的煤基固废胶结材料的综合性能最佳; 玻璃纤维改性煤基固废胶结材料水化反应后, 生成的针状和团状产物填充了材料细小裂隙且附着于纤维表面, 能够有效提高材料的力学性能。

     

组合受力胶结充填体力学特性及能耗特征研究

一步骤胶结充填体为二步骤矿柱回采提供支撑,充填体由三轴受力转为单轴受力状态,其稳定性对采场安全至关重要.为此对比分析了单次(单轴)和二次(三轴加单轴)压缩对不同灰砂比胶结充填体的应力-应变曲线、强度特征、能耗特征及破坏模式.结果表明:单次比二次具有更明显压密阶段、更高线弹性阶段,增大围压使二次充填体压密阶段减小、线弹性...     

煤基固废制备充填材料配比优化试验研究

为制备低成本、高强度的煤矿充填材料,以煤矸石做骨料,以粉煤灰、脱硫石膏、硅钙渣为 胶凝材料制作试件,并对其进行单轴抗压强度、坍落度、扩展度指标测试,研究了充填材料配比优 化前后的力学性能、各组分影响情况。 结果表明,脱硫石膏、硅钙渣在一定掺量范围内具有较强 的胶凝作用;随着粉煤灰掺量增加,充填材料初期强度增长较慢,应控制其掺量不高于6.67%;粉 煤灰与硅钙渣联合使用能激发硅钙渣的胶凝性能;煤矸石、粉煤灰、脱硫石膏、硅钙渣、水泥最优 质量比为70:6:3:12.5;8.5。 利用响应面法对结论进行了验证,试验结论与预测一致。