低强度胶结充填体相似材料配比试验研究

针对采用物理相似模拟试验模拟充填采矿法时,低强度胶结充填体相似材料配比参数选取问题,以石灰、高岭土、石膏、水和尾砂等作为相似材料,采用回归正交设计试验方法进行了充填体相似材料配比试验,开展了单轴压缩试验,获得了不同配比试样的单轴抗压强度、弹性模量和泊松比等力学试验指标。在此基础上总结了单轴抗压强度、弹性模量和泊松比3个试验指标关于石灰、高岭土、石膏和水4因素的回归方程,并分析了各因素对各试验指标的影响特征。通过物理相似模拟试验的实际应用证明了采用该配比方案总结的回归方程的有效性及相似充填体的良好相似性,该成果对胶结充填体相似材料配比的选取具有一定的参考价值和指导意义。     

矿山开采相似材料配比及力学试验研究

为使相似材料更贴近现场岩性特点,提高相似材料模拟试验研究精度,采用"砂石+石膏+水泥"三种原料进行配比试验,制作不同配比的试件进行力学性能测试。通过抗压、拉强度及相应的应力-应变曲线分析相似材料的力学性能及破坏特征,并对相似材料试验各阶段中的误差来源进行分析。结果表明:1)试件的平均抗压强度随砂石比例增大而减小,加入适量的水泥会增大试件的抗压强度,改变"砂石+石膏+水泥"的配比可以获得较为灵活多样的相似岩层特性;2)试件的抗压、拉强度随砂石骨料粒径增大而增大;3)利用棍棒捣实和敲打振动可以满足砂浆的压实要求,采用称砣式静力压实后反而使试件的抗压强度降低;4)针对相似材料制作过程的每个阶段,可提出减少误差的相应方法与措施。     

铅锌尾砂胶结充填材料优化配比正交试验

为优化铅锌尾砂胶结充填工艺参数,提高充填体的强度指标,采用正交试验方法分析料浆质量分数、灰砂比、粉煤灰掺量对充填体坍落度、泌水率和单轴抗压强度的影响,并确定充填材料的最优配合比。试验结果显示:料浆质量分数是影响充填体坍落度和泌水率的主要因素,料浆质量分数为74%时,坍落度为18.2~21.0 cm,料浆质量分数为74%时泌水率最低(≈1%);充填体7天和28天单轴抗压强度与料浆质量分数及灰砂比呈正相关关系,与粉煤灰掺量呈负相关关系。综合考虑坍落度、泌水率和单轴抗压强度后得出试验结果,铅锌尾砂胶结充填最优配合比为料浆质量分数74%、灰砂比1:6、粉煤灰掺量15%。     

砂蜡物理性质及其破坏形式研究北大核心

通过研究不同配比情况下砂蜡混合物标准样的单轴压缩实验,测定分析了其力学特性,并对试样压缩破坏的破裂情况进行了分析研究。结果表明,在含蜡量较小时,砂蜡的单轴抗压强度与蜡含量基本呈线性关系。而循环加载情况下,抗压强度变化不大;含蜡量高的砂蜡强度较大而变形较小,随着蜡含量的升高,砂蜡的割线模量E_(50)和弹性模量Et都增大,砂蜡试样的泊松比也呈现出上升趋势;砂蜡试样与煤岩试样相同,单轴压缩变形破坏形式也表现为复杂多变,蜡含量多(8%~14%)的砂蜡试样中多发生A类脆性剪切破坏型、B类楔劈式破坏型,而蜡含量低(4%~6%)的砂蜡试样破坏形式以C类挤压粉破柔性破坏型为主。     

砂蜡物理性质及其破坏形式研究

通过研究不同配比情况下砂蜡混合物标准样的单轴压缩实验,测定分析了其力学特性,并对试样压缩破坏的破裂情况进行了分析研究。结果表明,在含蜡量较小时,砂蜡的单轴抗压强度与蜡含量基本呈线性关系。而循环加载情况下,抗压强度变化不大;含蜡量高的砂蜡强度较大而变形较小,随着蜡含量的升高,砂蜡的割线模量E_(50)和弹性模量Et都增大,砂蜡试样的泊松比也呈现出上升趋势;砂蜡试样与煤岩试样相同,单轴压缩变形破坏形式也表现为复杂多变,蜡含量多(8%~14%)的砂蜡试样中多发生A类脆性剪切破坏型、B类楔劈式破坏型,而蜡含量低(4%~6%)的砂蜡试样破坏形式以C类挤压粉破柔性破坏型为主。     

型煤力学性质的影响因素实验研究

为了确定型煤最佳配比参数,为煤相似模拟材料实验提供一定的理论指导与借鉴,论文通过单轴压缩实验,探究不同煤粉粒径比例、腐植酸钠胶结剂掺入量、成型压力和保压时间4种因素相互作用下对型煤力学参数作用规律。依据抗压强度、弹性模量和泊松比3个力学参数变化情况,确定了各因素对型煤力学参数的影响规律。实验结果表明:在各因素相互作用下,一定范围内,型煤的抗压强度受成型压力与粒径比例的影响较大,弹性模量受腐成型压力的影响较为明显,泊松比受粒径比例、腐植酸钠掺入量和成型压力的共同影响。     

复掺轻骨料纤维喷射混凝土力学及导热性能试验研究*

为有效隔绝高地温公路隧道、深部高温巷道施工过程中的围岩散热,利用正交试验方法,以不同复合陶粒、陶砂掺量、聚丙烯纤维为影响因素,设计出1种隔热效应的轻骨料纤维喷射混凝土（Lightweight Aggregate Fiber Shotcrete,LAFS）,进行含水率、抗压、劈裂抗拉及导热性能试验,并借助X射线衍射、扫描电镜对LAFS进行机理分析。结果表明:3种因素对LAFS力学及导热性能的影响程度均为陶粒掺量>陶砂掺量>聚丙烯纤维掺量,本试验条件下,复合双掺陶粒、陶砂分别取代石子、砂子的最佳体积率为12%,6%,聚丙烯纤维的最佳掺量范围为0.2%~0.3%。建立的LAFS各性能预测模型可为工程应用LAFS确定其配比时提供试验依据。     

引气剂和聚丙烯纤维对高水材料性质的影响研究

为了改变高水材料的破坏特点,采用引气剂和聚丙烯纤维双掺对其进行改性。试验结果表明:随着引气剂掺量的增加,浆体的流动性逐渐降低,混合浆液失流时间延长,试块密度和单轴抗压强度逐渐减小;聚丙烯纤维的掺入,对浆体流动性、失流时间、引气率影响均较小。聚丙烯纤维最佳掺量为2 kg/m3,引气剂和聚丙烯纤维的掺入使硬化体的弹性模量略有减小,且使试块由脆性破坏转变为延性破坏,在保持整体不散的情况下,提高其压缩量。SEM观察表明:钙矾石在气泡壁上集中生成,聚丙烯纤维与基体的界面处有利于针状钙矾石的生成,从而使聚丙烯纤维更好地发挥增强增韧的作用。     

全尾砂胶结充填体强度影响因素响应面法研究

为研究充填体各影响因素对不同养护龄期充填体抗压强度的综合作用,提高矿山充填质量,在对尾砂、胶凝C料等充填材料物化性能分析的基础上,设计、开展正交试验,建立不同养护龄期响应面模型,深入分析各影响因素间的交互作用。结果表明:在所建立的响应面模型检验中,F值大于33.34,P值小于0.000 1,模型是有效的;料浆固相质量分数及灰砂比的提高能有效增加充填体抗压强度;速凝剂掺量存在一个临界值;料浆固相质量分数与灰砂比之间有协同关系,料浆固相质量分数和灰砂比与速凝剂掺量之间有微弱的拮抗关系。     

新型硫酸锂复合早强剂对煤矿封孔水泥早强效果的影响研究

为缩短煤矿封孔注浆材料的候凝时间,以煤矿注浆封孔硅酸盐水泥为研究对象,在Li2SO4单掺早强效果研究的基础上,将锂盐与有机物进行复配。通过正交实验考察了高湿环境中不同组成和配比下,Li2SO4复合早强剂对于封孔水泥早强效果的影响。结果表明,Li2SO4与聚羧酸和三乙醇胺复配新拌混凝土后流动性良好,当该复配早强剂的组成为硫酸锂1.0%,聚羧酸0.03%,三乙醇胺0.3%,掺量为胶体总质量的1.3%时,可使注浆封孔水泥早期强度提高最为显著,1d抗压强度提高到556%,3d抗压强度提高到157%。     

粉煤灰-煤矸石基胶结充填材料制备与性能研究

为了解决我国煤矿采空区地表沉陷以及"三下"压煤资源浪费的问题,提出以粉煤灰-水泥熟料-脱硫石膏复合胶凝材料为胶结材,原状粉煤灰为细骨料,破碎后的煤矸石为粗骨料制备新型煤矿开采胶结充填材料。依据正交试验结果和各因素影响规律趋势图,确定充填材料的优化配合比。研究结果表明,适当增大水泥熟料掺量可缩短材料初凝时间,减小水胶比能使材料强度显著提高,而材料坍落度可通过选取适宜的浆体中的固体质量分数和灰矸比来有效调节,当胶凝材料中水泥含量为15%,脱硫石膏含量为8%,水胶比为2,灰矸比为2∶3,浆体中的固体质量分数为70%时,充填材料性能可达到最佳。通过试验优选材料各项参数,工业废弃物可以用来制备高质量的胶结充填材料。     

污泥灰-水泥胶凝体系的力学性能及微观分析

利用造纸污泥灰和生活污泥灰替代部分水泥制备胶凝材料,研究了污泥灰掺量对污泥灰-水泥胶凝体系力学性能的影响,采用X射线衍射、红外光谱、扫描电镜和能谱分析手段对胶凝体系水化产物的矿物组成、化学结构及微观形貌进行研究。结果表明,随着污泥灰掺量增加,胶凝体系抗压强度不断降低,当污泥灰掺量超过40%,试样3 d抗压强度比小于5%。当水泥掺量一定,提高造纸污泥灰的掺加比例有利于胶凝体系早期强度的增长,生活污泥灰可有效提高试样后期强度,但掺量不宜过多。随造纸污泥灰掺量提高,水化产物中氢氧化钙和C—S—H凝胶生成量增大,氢氧化钙晶体由片状发育为板状,紧紧包裹于C—S—H凝胶层状结构中,造纸污泥灰中含有的文石型Ca CO3晶体具有较高的力学强度,可桥接于水化试样微观裂隙两侧,阻碍裂隙的扩展,进而提高胶凝体系的力学强度。     

热电厂炉渣作为煤矿膏体充填材料的配比试验研究

为了寻求既满足充填工艺要求又能够降低成本的新型充填材料,通过一系列试验,研究了热电厂粉煤灰/炉渣比例、膏体质量浓度和水泥含量等因素对膏体充填材料性能的影响规律,据此确定了材料最优配比。结果表明:随着粉煤灰/炉渣比例的增加,坍落度、扩展度和充填体强度均呈现先较大幅度增加然后又缓慢减小的变化趋势,料浆泌水率呈近似负指数规律降低;随着质量浓度的增加,坍落度、扩展度及泌水率均随之显著变小,充填体强度近线性增大;随着水泥含量的增加充填体强度随之显著增大,坍落度、扩展度和泌水率均呈现缓慢减小的变化趋势;材料的最优配比为粉煤灰、炉渣和水泥的质量比为 20∶48∶6,质量浓度为 74%,此时料浆流动性和充填体强度完全符合充填开采基本要求。     

延迟型膨胀剂对水泥基封孔材料性能的影响研究

为解决水泥基封孔材料在煤矿封孔应用中产生收缩变形问题,现以水泥浆材料为基料,利用微胶囊技术对铝粉膨胀剂进行改性处理,通过单因素试验确定环境温度,并在所确定环境温度下利用正交试验研究不同芯/壁质量比、水灰比,微胶囊掺量条件下延迟型膨胀剂对封孔材料膨胀、抗压性能的影响。结果表明:芯/壁质量比1.5:1,水灰比0.5,环境温度35℃,掺入4‰改性膨胀剂封孔材料膨胀性能最佳。较基准组延迟膨胀4h,膨胀率终值为15%,抗压强度在膨胀剂的影响下没有明显降低,并保持良好的强度性能。1d抗压强度2.3MPa,3d强度14.6MPa,7d强度21.2MPa,28d强度31.7MPa。     

高流态封孔注浆材料力学性能及水化机制

为提高深部矿井煤层气抽采效率,针对目前常见的封孔注浆材料存在的高分子封孔材料价格昂贵易燃、普通水泥材料渗透性差、粉煤灰等膏体材料强度不足等问题,采用超细水泥为基料研发一种高流态封孔注浆材料。通过对高流态封孔注浆材料开展力学性能试验研究、结合扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)等一系列试验的结果,揭示新型高流态封孔注浆材料水化机制。结果表明：高流态封孔注浆材料在水化初期就生成大量的水化硅酸钙(C-S-H)凝胶和钙矾石(AFt)晶体;随着水化反应的持续,水化产物的凝胶粒子充填材料中的孔隙。与普通水泥封孔注浆材料相比,材料的水化反应更迅速、更充分、整体结构致密,比普通水泥封孔注浆材料抗压强度提高3.68%,更有利于保持瓦斯抽采钻孔的稳定性,提高瓦斯抽采效率。     

超细粒级浸出渣充填配比试验研究

为了探究超细粒级浸出渣与分级尾砂混合作为充填骨料的充填体强度能否达到凡口铅锌矿井下充填的要求,开展了浸出渣与分级尾砂的充填配比试验。通过充填配比试验,分析不同配比和质量分数的充填料浆的流动性和充填体强度特性。结果表明:质量分数对充填体强度的影响较大;灰砂比、质量分数越大,充填体的强度越高;在一定范围内,增加浸出渣的用量可提高充填体的强度;扩散度可以很好地反映充填料浆的流动性,充填料浆的流动性随质量分数增加而减小,当质量分数较高时增加水泥用量可提高充填料浆的流动性,增加浸出渣含量会导致充填料浆的流动性降低。根据凡口铅锌矿充填技术要求及室内充填配比试验结果,得出不同部位的最佳充填配比:矿房采场的最佳灰砂比、浸出渣与分级尾砂之比、质量分数分别为1∶6、1∶5、71%,间柱采场为1∶6、1∶6、69%,首层和浇面为1∶3、1∶6、71%。     

基于GPR-TOPSIS方法的充填配比多目标多属性优化

为获得某金矿尾砂胶结充填材料最优配比,基于试验结果,以海水比例、灰砂比和料浆质量浓度为输入参数,以充填体强度、塌落度及泌水率为输出参数,建立了充填配比与其响应量的高斯过程回归模型,分析了不同因素对充填性能的影响程度;采用遗传算法对高斯过程回归模型进行多目标参数优化,获得了Pareto非劣解,在此基础上,引入多属性决策的TOPSIS法对Pareto非劣解进行方案优选,确定了充填最优配比。研究结果表明:高斯过程回归模型相对误差值均小于6%,可靠性高;灰砂比及料浆质量浓度对充填性能影响较为显著,采用海水作为充填水源将降低充填体的强度;经优化后的充填配比与试验结果相符。     

机械力活化制备电解锰渣基复合充填材料的性能及其机理研究

以电解锰渣为基体,外加粉煤灰、氢氧化钙及硅酸盐水泥制备电解锰渣基复合充填材料（CFM）,研究了原料机械力球磨前后CFM性能的变化。机械力球磨可显著降低混合原料粒径（D90降低50.92%）、增加原料间的接触面积,提升原料反应活性,使水化反应的需水量增加、反应速度加快,并促进基体中生成更多水化产物,进而提升CFM的性能。原料经球磨后制备的CFM-B2（电解锰渣掺量55%）的流动性、凝结时间、泌水率、线性收缩和抗压强度均满足充填材料使用要求,且其重金属、氨氮浸出浓度满足标准（GB 5085.3—2007和GB 31573—2015）要求。     

基于地表沉陷控制的膏体充填材料的性能优化研究

充填材料性能是充填开采控制地表沉陷的一个重要因素,为克服传统充填材料性能优化试验耗时长、成本高、人为误差较大的缺点,探索将传统正交试验与模糊决策相结合进行充填材料性能优化。基于L9(33)正交试验,确定了S1~S55组充填材料性能优选方案。在综合分析充填材料性能影响因素的基础上,建立充填材料性能优化指标体系,构建AHP-FUZZY模糊综合优选模型对方案进行比选,并分析了正交试验中各因素水平变化对最优方案的敏感性。结果表明:膏体充填材料性能最优方案为“S4”即水泥含量15%,灰矸比1∶2,质量浓度75%,决策结果与试验结果相符,且“灰矸比”对充填材料性能优化的敏感性程度最高,在实际膏体充填开采中要严格控制粉煤灰和煤矸石掺量。     

双介质矿岩轴向加载损伤破坏试验分析研究

为研究夹石对矿体力学变形特性的影响,选用全精炼的工业石蜡作为夹石模拟材料,并与水泥和矿粉进行配比制样。通过表壁裂纹扩展、微观成像、表壁应变值变化、整体加载压缩变形、磁感应强度变化、红外温度测量共同表征夹石试样在加载过程中的力学变形特征,厘清夹石矿岩的破坏特点。同时提出了一种数值模拟夹石的方法,进行不同夹石含量矿岩的安全系数、最大主应力及不同监测点处应变值的变化监测。试验结果表明:存在夹石的试样在加载过程中表壁出现较多裂纹条数,且以短裂纹为主,分布区域较广;表壁纵向应变变化较平稳,而横向应变存在阶梯型变化;红外温度测量并无恒定的变化幅度,存在升降的起伏变化;磁感应强度值变化存在上升下降型、下降平稳型、下降上升型的变化特点。数值模拟结果表明:夹石的存在弱化了矿岩的整体强度,这与相似模拟结果具有一致性。同时不同的夹石强度对矿岩的整体稳定性影响不一样。当试样的整体稳定性与夹石的物理性质有关,夹石强度是矿石强度50%左右时,彼此接触严丝合缝,夹石存在及含量的多少产生的影响不大;如果夹石强度只是矿石强度的2%时,相应的测点起伏变化较大;如果试样完整性不好,存在较多微观空区,空区附近的相应测点的应变值变化起伏较大。