礦山充填體作用機(jī)理與鋁基復(fù)合充填膠凝材料研究.pdf

1、在環(huán)境保護(hù)、安全生產(chǎn)和資源回收標(biāo)準(zhǔn)不斷提高的背景下，充填技術(shù)體現(xiàn)出節(jié)能減排、安全環(huán)保的良好效果，在處理空區(qū)、固廢利用、深部開(kāi)采、難采礦體開(kāi)采等方面應(yīng)用前景廣闊。而目前使用的任何一種充填工藝技術(shù)，都存在著自身無(wú)法克服的弊端和不足，難以完全滿足井下生產(chǎn)的要求。為此，有必要對(duì)充填體物理力學(xué)性質(zhì)的認(rèn)識(shí)、充填體和圍巖相互作用過(guò)程進(jìn)行深入研究，開(kāi)發(fā)出破解制約充填技術(shù)進(jìn)步的鋁基充填材料，為深部礦產(chǎn)資源安全高效開(kāi)采提供技術(shù)支撐。
　　 論文依托

2、國(guó)家十一五科技支撐項(xiàng)目“礦井采空區(qū)探測(cè)與水害防治關(guān)鍵技術(shù)及裝備研究”，結(jié)合本人獲得的國(guó)家發(fā)明專利“鋁基膠凝膠結(jié)充填復(fù)合材料”，通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、理論分析等手段，以充填體為研究對(duì)象，在充填體力學(xué)特性及其與圍巖相互作用機(jī)理研究基礎(chǔ)上，以鋁基充填膠凝材料為突破口，最終將理論成果運(yùn)用于采充工藝中，該技術(shù)應(yīng)用潛力十分巨大。
　　 論文完成的主要研究工作如下：
　　 (1)為了準(zhǔn)確掌握充填體的力學(xué)特性，首次在采場(chǎng)進(jìn)行了大尺度充

3、填體的多手段、多方位、多性態(tài)力學(xué)性能測(cè)試，進(jìn)一步驗(yàn)證了充填體室內(nèi)力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果，得到了全面準(zhǔn)確的充填體力學(xué)性能參數(shù)，闡釋了充填體力學(xué)特性。研究結(jié)果表明，保持膠結(jié)充填體的三維受力狀態(tài)很重要；當(dāng)膠結(jié)充填體達(dá)到屈服點(diǎn)之前，具有彈性支撐作用，過(guò)屈服點(diǎn)之后則具有“讓壓支座”的作用。
　　 (2)研究分析了采場(chǎng)充填體的讓壓、應(yīng)力隔離、支護(hù)等作用過(guò)程，揭示了充填體和圍巖的相互作用機(jī)理。模擬了不同采充過(guò)程中二者的應(yīng)力變化，充填體的設(shè)計(jì)強(qiáng)度與圍巖的

4、彈性模量和地應(yīng)力有關(guān)。模擬試驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)于采用兩步驟回采的采場(chǎng)，礦房充填后塑性變形區(qū)范圍有減小的趨勢(shì)，且隨著充填體強(qiáng)度的增大，這種作用越明顯；一步驟采場(chǎng)進(jìn)行有效充填，可改善應(yīng)力狀態(tài)，為二步驟采場(chǎng)回采創(chuàng)造有利條件(3)提出了鋁基膠凝材料標(biāo)準(zhǔn)配比的概念，首次全面系統(tǒng)地進(jìn)行了鋁基膠凝材料從原料特性、反應(yīng)機(jī)理、凝結(jié)硬化特征、材料物性及影響因素的試驗(yàn)和分析，形成了性能穩(wěn)定、可實(shí)現(xiàn)單管輸送的鋁基礦用速凝材料及其標(biāo)準(zhǔn)配比。鋁基膠凝材料的標(biāo)準(zhǔn)配比是以

5、理化性能相對(duì)穩(wěn)定的原料為標(biāo)準(zhǔn)原料進(jìn)行配合比研究，所確定的配比。即以硫鋁酸鹽水泥熟料為鋁基類活性材料，和石膏、堿性激發(fā)劑、添加劑所形成的膠凝材料配比。當(dāng)采用其它一些具有“潛在”水化反應(yīng)活性的材料(高爐礦渣、粉煤灰等)、化學(xué)石膏(磷石膏、氟石膏等)全部或部分取代標(biāo)準(zhǔn)配比的原料時(shí)，其配比可根據(jù)所用原料的礦物成分，以標(biāo)準(zhǔn)配比為基礎(chǔ)，經(jīng)換算初步確定后，再通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)進(jìn)行優(yōu)化和確認(rèn)。從而實(shí)現(xiàn)了用礦渣或粉煤灰分別取代30％～50％硫鋁酸鹽水泥熟料，用

6、磷石膏取代天然石膏的各種配比的單管速凝充填料的研制，其性能均達(dá)到并超過(guò)了材料標(biāo)準(zhǔn)配方的指標(biāo)，為礦用型速凝材料推廣應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。
　　 (4)突破了鋁基速凝材料應(yīng)用和生產(chǎn)的技術(shù)瓶頸，實(shí)現(xiàn)了部分原料本地化和單管大流量輸送。鋁基礦用速凝材料具有固水能力強(qiáng)、料漿懸浮性和流動(dòng)性好、不需脫水、凝固速度快、強(qiáng)度增長(zhǎng)幅度大、充填成本合理、原材料來(lái)源廣泛等特點(diǎn)。鋁基礦用速凝材料其體積比含水率可高達(dá)70％以上，1小時(shí)凝固強(qiáng)度可達(dá)0.5～1.0Mp