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%。     

基于风积砂的膏体充填材料研制

以风积砂作为骨料的充填材料配制是一个新的研究课题。为给陕北某煤矿充填开采提供高质量、低价格的膏体充填材料配比依据,在24组单因素试验基础上,采用正交试验法研究了风积砂膏体充填材料坍落度、7d和28d抗压强度,并采用SEM对最优配比充填材料微观结构进行分析。结果表明:当粉煤灰的掺量小于380kg/m~3时,充填膏体坍落度呈现上升趋势,当掺量超过380kg/m~3时,膏体的坍落度呈下降趋势;随着粉煤灰掺量增加,充填膏体抗压强度随之增大,且7d变化较小,28d变化较明显;随着水泥掺量增加,充填材料坍落度缓慢下降,同龄期抗压强度也持续缓慢增加,但是同掺量7d和28d抗压强度相比,28d强度增加较大。综合分析,得出最优配比:粉煤灰掺量为440kg/m~3,水泥掺量为220kg/m~3,风积沙掺量为45%,质量浓度为76%。     

基于正交实验的赤泥-粉煤灰膏体充填材料配比优化

为了解决赤泥、粉煤灰等工业固废的堆放对环境产生的危害,同时降低矿山充填材料的高成本问题,试验采用拜耳法赤泥、粉煤灰制备矿山充填材料。采用正交试验方法以及MATLAB进行线性回归预测和3D可视化模型建立,得出影响赤泥基膏体充填强度及塌落度、泌水率的因素及回归方程。实验结果表明:料浆质量分数是影响塌落度的主要因素,其中58%料浆浓度的塌落度效果最好;赤泥粉煤灰比是影响充填料浆泌水率的主要因素,赤泥粉煤灰比为3∶2可以满足工艺要求;水泥掺量对试块的早期强度影响最大,料浆质量分数次之,赤泥粉煤灰比最小。因此,选择料浆浓度58%、赤泥粉煤灰比3∶2,水泥掺量10%为赤泥粉煤灰膏体充填的最优配比。     

基于正交试验的全尾砂胶结充填材料配比优化

以某矿山全尾砂为骨料、水泥和粉煤灰为胶凝材料制作胶结充填材料,采用正交试验探讨了料浆质量浓度、灰砂比和掺灰量对充填材料泌水率、7 d和28 d抗压强度的影响程度,并确定了最佳的全尾砂胶结充填材料配比方案.研究结果表明:料浆质量浓度是影响充填料浆泌水率的主要因素,料浆质量浓度为71%和74%时泌水率小于15%可满足工艺要求;灰砂比对充填材料7 d和28 d抗压强度的影响最大,掺灰量次之,料浆质量浓度最小;确定的最佳配比方案为料浆质量浓度74%、灰砂比1:4、掺灰量10%.     

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。     

钢渣胶凝体系下矿山充填料的流动性研究

讨论了在无熟料钢渣胶凝材料体系下,矿山充填料流动性的主要影响因素。料浆流动性试验结果表明掺加粉煤灰能明显改善体系的流动性,在一定范围内浆体流动性随着粉煤灰掺量增大而增大,掺量为15%的粉煤灰流动度最高达到220 mm;矿渣对充填料浆体流动性的改善效果不如粉煤灰,但能提高充填体各龄期抗压强度;粗细颗粒级配合理的尾矿对流动性的改善有积极的作用,流动度能最多提高46.7%;料浆浓度对体系流动性和强度影响很大,73%浓度的充填料浆和易性好,流动度最高达到240 mm。     

减水剂-粉煤灰复合掺料膏体力学性能及水化机理研究

煤矿井下胶结充填技术可有效解决固废地表堆存和煤炭开采引发系列地质灾害等问题,针对粉煤灰基复合掺料井下充填中料浆流动性和力学性能系统研究的不足,开展坍落度为220 mm时掺减水剂、水泥及粉煤灰复合掺料膏体状态下含水率、抗压强度、凝结时间、SEM和压汞实验研究,从宏观和微观分析并探讨复合材料膏体强度演化规律与水化机理。结果表明,掺减水剂可保障低水灰比下充填料浆的坍落度,选择合适类型与剂量的减水剂可提高复合掺料膏体强度达33%;掺减水剂可降低充填料浆含水率,与未掺减水剂充填料浆相比,减水率达3%～7%;掺减水剂和增加减水剂掺量可减少粉煤灰复合掺料充填料浆凝结时间,掺B型减水剂与掺A型减水剂、未掺减水剂相比,无论从短期强度还是长期强度均高于后者;掺减水剂粉煤灰膏体C-S-H凝胶中主要元素为Si和Al,未掺减水剂膏体凝胶中主要元素为Ca和O,已完全发育的C-S-H凝胶以晶体的形式填充于充填体孔隙和裂缝中,有助于提升充填体强度和耐久性;掺减水剂和增加减水剂掺量均可降低充填体孔隙率,使得充填体结构更为致密,更有利于充填体强度的提高。研究成果可丰富我国煤矿井下粉煤灰基胶结充填技术和固废处置等领域理论研...     

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%。     

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。     

碱激发矿渣/粉煤灰体系流动性及力学性能试验研究

针对某金矿水泥胶结充填体强度低、经济效益差的问题,以当地固体废弃物矿渣、粉煤灰等为主要原料,通过添加水玻璃作为激发剂制备新型矿山充填碱激发胶凝材料。借助正交设计的试验方法,考察激发剂掺量、激发剂模数、粉煤灰掺量、水胶比对矿渣/粉煤灰复合胶凝体系流动性及力学性能的影响。试验结果表明：激发剂掺量与浆体流动度和抗压强度呈正相关;激发剂模数从1.0增加至1.5的过程中,浆体流动度和抗压强度均呈先上升后降低的趋势;在无粉煤灰的胶凝体系中,浆体流动度较差,随着粉煤灰掺量的增加,浆体流动度不断增加,抗压强度逐渐降低;水胶比与浆体流动度呈正比关系,随着水胶比的不断增大,抗压强度快速降低,波动幅度较大。当水胶比为0.30、激发剂掺量为6%、激发剂模数为1.2、粉煤灰掺量为20%时,浆体流动度为164 mm,养护龄期3 d、7 d、28 d的抗压强度分别为2.15, 3.66, 4.83 MPa,均满足矿山生产要求。     

深地开采, 膏体先行

为解决充填膏体成本高昂的问题,将污泥作为骨料制备充填膏体。采用正交试验方法,进行污泥膏体充填材料配比试验,探讨污泥质量分数、水泥质量分数、粉煤灰质量分数对充填膏体坍落度、凝结时间、抗压强度的影响。在此基础上,以污泥质量分数、水泥质量分数、粉煤灰质量分数为自变量影响因子,充填膏体抗压强度为响应目标值,结合响应面法(RSM),建立污泥充填膏体抗压强度预测模型,揭示多目标条件下污泥膏体充填材料优化配比。研究结果表明,污泥充填膏体强度不仅受单个因素影响,而且受多个因素间交互作用影响显著。其中污泥质量分数和水泥质量分数的交互作用是影响充填膏体强度性能的关键性因素。优化的充填材料配比：充填料浆质量分数75%,石灰质量分数4%;污泥质量分数8.32%,水泥质量分数29.62%,粉煤灰质量分数20.33%。经试验验证,该配比条件下充填膏体各龄期抗压强度均满足设计要求。

     

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。     

胶结充填采矿协同资源化利用垃圾焚烧飞灰固化机理研究

为确定低成本、安全、高效处置危废城市垃圾焚烧飞灰(MSWI)的方法,以钢渣微粉、矿渣粉、脱硫石膏、垃圾焚烧飞灰和尾砂为充填材料,进行了砂浆流动性能和胶结充填料强度试验,根据胶结充填料强度确定了胶凝材料的最优配比,并通过X射线衍射(XRD),红外(FTIR)和扫描电镜(SEM)分析了净浆试块的微观结构和水化产物。试验结果表明,当垃圾焚烧飞灰掺量为15%、钢渣微粉掺量为4%、脱硫石膏掺量为14%、矿渣粉掺量为67%时,料浆的流动度为260 mm,满足自流型胶结充填的流动性需求,充填料试块28 d的抗压强度为24.54 MPa,满足矿山充填强度要求;充填料试块养护28 d重金属离子浸出浓度全部低于饮水标准;冶金渣-垃圾焚烧飞灰胶凝材料水化产物主要有钙矾石、C—S—H凝胶和Friedel盐。     

粉煤灰全尾砂膏体充填试验研究

电厂工业废料粉煤灰具有潜在胶凝活性。针对当前矿山膏体胶结充填成本高、强度低等现状,提出了以部分粉煤灰替代水泥作为胶凝剂。在对粉煤灰物删性能和化学成份测定分析的基础上,依不同的粉煤灰添加量进行了粉煤灰全尾砂胶结充填强度试验,并对粉煤灰在膏体充填料浆中的胶凝机理进行了探讨。结果表明：在质量分数和水泥用量相同的条件下,添加粉煤灰可以大幅度提高后期强度,并且龄期强度随粉煤灰用量的增加而增大。研究结果为提高胶结充填质量、降低充填成本,进一步综合利用人工火山奠定了一定的基础。     

矿渣基胶凝材料固化垃圾焚烧飞灰中重金属的研究

以矿渣部分或全部替代水泥，与垃圾焚烧飞灰和脱硫石膏组成胶凝材料，研究随矿渣掺量变化，胶凝材料对垃圾焚烧飞灰重金属的固化效果。结果表明：随着矿渣替代水泥量的增大，净浆试块抗压强度呈现先增大后减小的趋势；当飞灰掺量为20%、矿渣掺量为70%、脱硫石膏掺量为10%时制成的净浆试块，在温度为35 ℃、湿度为95%下养护28 d，试块的抗压强度达到47 MPa，重金属元素Cr、Cd、Cu、Hg、Pb、Zn的浸出浓度均低于饮用水标准；对Pb、Cr的固化效果明显优于纯水泥胶凝体系。XRD和FT-IR检测表明：该矿渣基胶凝材料水化生成的主要产物有钙矾石、C-S-H凝胶和水铝钙石，水化产物对重金属离子有良好的包裹作用。矿渣基胶凝体系比水泥基胶凝材料体系在固化垃圾焚烧飞灰重金属方面优越性明显。     

脱硫灰渣的改性及其对矿渣基充填料性能的影响研究

为解决脱硫灰渣堆放所带来的环境污染问题,并以其和其他固废为主要原料生产矿山井下充填所需的低成本充填料,在对脱硫灰渣进行改性的基础上,以改性脱硫灰渣、增强剂、石膏、矿渣、尾砂为原料进行了充填料性能试验,并对充填料试件的水化产物进行了SEM分析。结果表明:(1)改性剂CHJ-1可在掺量为2%、改性温度为120℃、改性时间为12 h情况下使脱硫灰渣中CaSO_3的含量降低48.30%。(2)改性脱硫灰渣掺量的变化对充填料浆流动性影响不大。改性脱硫灰渣掺量从10%提高至15%,充填料浆的沉缩率明显减小,各龄期试件的抗压强度均明显增大;改性脱硫灰渣掺量继续提高至20%,充填料浆的沉缩率显著增大,各龄期试件的抗压强度均明显减小。改性脱硫灰渣掺量为15%时充填料浆扩展度为152 mm、沉缩率为1.41%,充填料试件7 d、28 d的抗压强度分别为1.28 MPa和2.86 MPa,满足矿山井下充填要求。(3)改性脱硫灰渣能成功激发矿渣发生水化反应,水化产物主要是棒状的钙矾石、团簇状的水化硅酸钙凝胶,它们之间相互穿插形成的空间网络结构使充填料试件具有结构强度,且随着养护龄期的延长,水化产物数量增多,充填料试件的抗压强度提高。     

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。     

掺超细循环流化床粉煤灰的水泥性能试验研究

通过对新拌水泥浆体的流变特性和水泥胶砂强度的测定,结合MIP与SEM等微观测试手段,研究了超细循环流化床粉煤灰(UCFA)对不同掺量循环流化床粉煤灰(CFA)水泥物理性能和力学性能的影响。结果表明:单掺CFA水泥的需水量较大,流动性差,强度下降明显;而用5%UCFA(最佳掺量)部分替代CFA,相比于单掺CFA水泥,需水量相应减少,流动度增加,水泥浆体的屈服应力τ₀和塑性黏度η值均有所减小,浆体的工作性能得到明显改善。30%粉煤灰掺量的水泥3 d强度提高6%;60%粉煤灰掺量的水泥28 d强度提高5%,达到32.5等级水泥要求;UCFA的掺入能够促进CFA水泥生成更多的钙矾石和C-S-H凝胶,改善硬化水泥浆体的孔隙结构,提高水泥强度。     

煤矸石-粉煤灰用作井下充填材料实验研究

黄金矿山由于尾矿氰化物含量较高无法用于井下采空区充填,但随着井下采空区逐渐扩大,亟需充填材料用于回填,实验研究利用煤矸石-粉煤灰用作骨料与水泥混合充填至采空区。岩质煤矸石的普氏硬度为2.74,易于破碎加工。电厂干排粉煤灰,测得细度为18.6%,颗粒较细。将煤矸石破碎至20mm以下用作粗骨料,粉煤灰为细骨料,当煤矸石-粉煤灰比为7:3时,混合骨料级配与Fuller理论曲线接近,级配良好。以水泥为胶凝材料配制1:7、1:9两种灰砂比的充填材料,混合料浆浓度为83%时,均能满足采空区管道高浓度输送的流动度要求。测定不同养护龄期下充填材料的单轴抗压强度,两种灰砂比材料在浓度为83%、82%下,28d的强度均超过4MPa,最高可达6.03MPa,可满足采空区顶底部或中心部位的充填强度要求。