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磷石膏矿山充填材料研发与性能试验研究

矿业安全与环保 2024年第1期51卷 133-139页

作者：张淑坤杨浩杰付康郭常宇马旭辉姚峰肖浩冉刘加军枣庄学院城市与建筑工程学院山东枣庄277160 辽宁工程技术大学土木工程学院辽宁阜新123000

为了研究固废磷石膏制备矿山充填材料的可行性,以磷石膏为骨料,添加电石渣、矿渣制备充填材料。采用单因素试验和正交试验法研究了电石渣质量分数、矿渣质量分数、物料质量分数,以及烘干温度对充填材料抗压强度的影响规律,并利用SEM分... 详细信息

为了研究固废磷石膏制备矿山充填材料的可行性,以磷石膏为骨料,添加电石渣、矿渣制备充填材料。采用单因素试验和正交试验法研究了电石渣质量分数、矿渣质量分数、物料质量分数,以及烘干温度对充填材料抗压强度的影响规律,并利用SEM分析了样品的微观形貌特征。试验结果表明:当磷石膏、电石渣、矿渣质量分数分别为65%、5%、30%时,物料质量分数为65%充填材料的强度及初始流动度满足充填要求。在130℃烘干8 h条件下,充填材料峰值强度最高。电石渣激发了矿渣活性,磷石膏与矿渣形成了针状钙矾石及水化铝酸钙和水化硅酸钙凝胶,增强了充填材料强度。

关键词：磷石膏电石渣充填材料宏观力学性能微观结构

酚醛树脂泡沫充填材料反应温度和膨胀倍数影响因素研究

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中国煤炭 2024年第1期50卷 80-86页

作者：杨春满王凯于潇沣王利红煤炭科学技术研究院有限公司北京市朝阳区100013

酚醛树脂泡沫快速的发泡性能和高膨胀倍数,能够使其在极短的时间将煤矿冒落区的大空穴充满,并具有一定的支撑能力,而发泡剂和助剂是影响酚醛树脂泡沫的主要因素,对物理发泡剂和化学发泡剂进行了比较,测试了膨胀倍数、最高反应温度、抗... 详细信息

酚醛树脂泡沫快速的发泡性能和高膨胀倍数,能够使其在极短的时间将煤矿冒落区的大空穴充满,并具有一定的支撑能力,而发泡剂和助剂是影响酚醛树脂泡沫的主要因素,对物理发泡剂和化学发泡剂进行了比较,测试了膨胀倍数、最高反应温度、抗压强度、固化时间和泡孔结构等指标。研究结果表明,相同量的化学发泡剂要优于物理发泡剂,而将两者混合使用后可以取得更好的发泡效果;随着发泡剂添加酚醛树脂泡沫膨胀倍数逐渐增加,当膨胀倍数超过40倍后其抗压强度将低于标准指标要求,因此膨胀倍数在25~40倍时为最佳;添加高热容助剂可以有效降低最高反应温度,但添加量过大时会延长酚醛树脂泡沫的固化时间导致成型慢,进而影响施工效果,因此助剂添加量在10%~15%时,可以有效降低最高反应温度,并对固化时间影响较小。

关键词：充填材料酚醛树脂泡沫反应温度膨胀倍数固化时间泡孔结构

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不同水化环境的水泥基固废充填材料性能研究

矿业研究与开发 2024年第6期44卷 72-80页

作者：李公成刘国磊何国志马秋峰孟圣师刘树龙山东理工大学资源与环境工程学院山东淄博市255049 临沂矿业集团菏泽煤电有限公司郭屯煤矿山东菏泽市274000 北京科技大学土木与资源工程学院北京100083

为研究不同水化环境对水泥基固废充填材料力学性能和微观结构的影响机制,设计了标准恒温恒湿养护(C1)、套袋恒温恒湿养护(C2)、自然空气养护(C3)、水中养护(C4)、30℃养护(C5)、40℃养护(C6)等6种水化环境,探究了不同水化环境下试块的... 详细信息

为研究不同水化环境对水泥基固废充填材料力学性能和微观结构的影响机制,设计了标准恒温恒湿养护(C1)、套袋恒温恒湿养护(C2)、自然空气养护(C3)、水中养护(C4)、30℃养护(C5)、40℃养护(C6)等6种水化环境,探究了不同水化环境下试块的破坏形态,采用X射线衍射仪(XRD)、傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)、扫描电子显微镜(SEM)分析了充填材料水化产物的作用机理。结果表明:养护温度是影响充填体早期抗压强度快速提升的关键因素,能够加快硅铝酸盐原料的溶解-重构-缩聚反应,增加水化产物钙矾石和C-S-H凝胶的产出量,产物快速生长,相互交织填充于骨料孔隙之间,形成致密的三维结构,在C6水化环境,充填体3 d和7 d抗压强度分别达到最大值2.08 MPa和3.07 MPa。但过高的温度导致水化产物分布不均匀,阻隔了胶凝活性离子的溶出,影响了后期强度的提升。湿度决定了充填体后期强度的发展,能够为水化反应提供水分子,当养护龄期为28 d时,不同水化环境下充填体的抗压强度为C6>C4>C1>C5>C3>C2。

关键词：水化环境充填材料力学性能水化机理微观结构

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残采区上行开采充填材料优化研究

煤炭技术 2024年第3期43卷 56-61页

作者：梁文海管伟明新疆大学地质与矿业工程学院乌鲁木齐830000

为了确保残采区上行开采安全稳定进行,选取3组不同充填配比方案,围绕采用不同配比充填材料进行充填时15S01工作面矿压显现规律的研究。通过比较沙湾某矿15S01工作面充填开采前后矿山压力显现特征的差异性,进一步论证采用充填开采的合理... 详细信息

为了确保残采区上行开采安全稳定进行,选取3组不同充填配比方案,围绕采用不同配比充填材料进行充填时15S01工作面矿压显现规律的研究。通过比较沙湾某矿15S01工作面充填开采前后矿山压力显现特征的差异性,进一步论证采用充填开采的合理性和必要性。研究结果表明,3种充填材料均能有效发挥支撑作用。1#充填材料力学性质相对较弱,充填体的应力水平会略低于周围矿柱,但仍能有效控制矿柱应力水平,大幅度降低充填区域煤柱的应力集中水平,并基本消除B4煤层工作面推进导致的应力集中影响。当采用力学性质与煤体非常接近的2#与3#充填材料时,充填体与煤体基本同步变形,两者边界几乎不存在应力差异,充填效果达到最佳。

关键词：充填材料应力演化数值模拟

电解锰渣-磷石膏-粉煤灰-氢氧化钙混合球磨制备矿井充填材料性能及水化机理研究

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工业安全与环保 2024年

作者：禹云林徐中慧宁丽萍李宇高诗敏西南科技大学环境与资源学院中石化西南石油工程公司油田服务分公司

在不添加水泥的情况下，通过电解锰渣、磷石膏、粉煤灰和氢氧化钙混合球磨制备了矿井充填材料(EFM)，并对球磨活化混合物料的机理和混合物料球磨后的水化机理进行了探讨。混合原料经混合球磨后颗粒粒度显著降低(D50降低了53.18%)，火山... 详细信息

在不添加水泥的情况下，通过电解锰渣、磷石膏、粉煤灰和氢氧化钙混合球磨制备了矿井充填材料(EFM)，并对球磨活化混合物料的机理和混合物料球磨后的水化机理进行了探讨。混合原料经混合球磨后颗粒粒度显著降低(D50降低了53.18%)，火山灰活性提升，后续水化反应速度和程度均提升，同时生成更多水化产物。当电解锰渣掺量为65%时，经混合球磨后矿井充填材料样品的泌水率、线性收缩率和抗压强度均得到有效改善。同时电解锰渣中的重金属离子在水化产物的物理包封、化学吸附和离子交换等作用下被有效固化。样品重金属离子浸出浓度均远低于标准GB/T 14848-2017和GB 31573-2015中规定的限值。

关键词：充填材料机械处理电解锰渣力学性能

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沿空留巷巷旁复合充填体分层材料优选分析

煤炭科学技术 2024年

作者：刘贞智刘萍罗畅高方玲黄鑫康陈镇贵州大学矿业学院

沿空留巷巷旁充填体分为让压层和抗压层，让压层材料应具有大变形的特性，减缓基本顶岩梁的剧烈活动；抗压层材料应具有强度高、刚性大等特点，柔性让压之后实现对上覆岩梁的有效控制。因此本文对让压层和抗压层材料的不同配比进行力学... 详细信息

沿空留巷巷旁充填体分为让压层和抗压层，让压层材料应具有大变形的特性，减缓基本顶岩梁的剧烈活动；抗压层材料应具有强度高、刚性大等特点，柔性让压之后实现对上覆岩梁的有效控制。因此本文对让压层和抗压层材料的不同配比进行力学特性分析，并通过电镜扫描（SEM）对让压层和抗压层的对照组和优化组进行微观结构分析，最后对让压层和抗压层的最优配比进行组合试验。研究结果表明：让压层材料的最优配比为，水灰比1.5：1，发泡剂掺量0.06%，纤维掺量0.2%；优化组28d时抗压强度达到了8.84MPa；不同期龄下的应变力，优化组为对照组的1.8～2.6倍。抗压层材料配比中细矸率为40%，料浆质量浓度78%，水泥掺量为20％时为最优，其平均抗压强度为13.21MPa，抗拉强度为0.97MPa，弹性模量为0.75GPa，内摩擦角为26°，内聚力为2.85MPa；该配比下的充填体随着水泥掺量的增加后期强度逐渐增长。组合试件中让压层占比10%-20%时，具有较好的让压能力，也具有一定的关键承载能力。研究结果为沿空留巷巷旁充填体材料配比提供参考。

关键词：沿空留巷巷旁充填充填材料抗压强度

富孔贫胶固废充填材料双组分破坏试验及强度模型

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煤炭科学技术 2023年第9期51卷 77-87页

作者：崔春阳李春元王美美杨冠宇薛珊珊王卫煤炭科学研究总院有限公司深部开采与冲击地压防治研究院北京100013 中国长江三峡集团有限公司科学技术研究院北京100038

为缓解井下充填骨料来源不足及固体充填捣实费时的问题,提出对松堆高孔隙率含矸固废骨料进行非填隙胶结,应用松堆落矸与自密实灌浆工艺试制了一种新型富孔贫胶固废充填材料。以该材料中胶结浆体与固废骨料双组分强度为正交变量,在室内... 详细信息

为缓解井下充填骨料来源不足及固体充填捣实费时的问题,提出对松堆高孔隙率含矸固废骨料进行非填隙胶结,应用松堆落矸与自密实灌浆工艺试制了一种新型富孔贫胶固废充填材料。以该材料中胶结浆体与固废骨料双组分强度为正交变量,在室内开展了单轴压缩破坏试验,研究了其单轴压缩破坏的强度特征及破坏面统计规律;考虑浆体强度与骨料强度共同影响,建立了基于破坏面统计特征的双组分强度概化模型;定义了胶结浆体与固废骨料的综合强度利用率,分析了富孔贫胶固废充填材料最优配比范围及吨煤成本趋势。结果表明:自密实净浆固化强度与固废骨料强度共同控制富孔贫胶固废充填材料的单轴压缩强度与剪切面破断模式,2种组分强度与充填材料宏观强度呈现显著正相关关系;充填材料强度受到两种组分强度的短板效应制约,当一种组分强度富余时,另一种组分破坏比例将占主导;富孔贫胶固废充填材料单轴压缩呈剪切破坏模式,剪切面呈单斜面型与交叉斜面型,剪切面的平均角度为55.4°;应用富孔贫胶固废充填材料后松堆骨料的密实度可由85%降低至58%,且当现场固废骨料强度确定时,可根据最优配比范围确定胶结浆体强度以实现充填材料强度的最大化利用,从而降低固体充填的压实作业耗时与单方矸石用量。

关键词：贫胶充填高孔隙率充填材料材料强度强度模型

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改性煤气化渣基矿用充填材料制备与性能

煤炭学报 2022年第5期47卷 1958-1973页

作者：屈慧升索永录刘浪周文武杨潘张彩鑫西安科技大学能源学院陕西西安710054 教育部西部矿井开采及灾害防治重点实验室陕西西安710054 西安科技大学化学与化工学院陕西西安710054

为研究煤矸石(CG)和煤气化粗渣(CS)用于膏体胶结充填的可行性,使用Talbol级配理论对骨料进行粒径控制,少量硅酸盐水泥作为胶凝材料,大量CS作为辅助胶凝材料,做了多组CG、CS、水泥、激活剂的不同配比实验。实验内容包括4个部分:骨胶比,... 详细信息

为研究煤矸石(CG)和煤气化粗渣(CS)用于膏体胶结充填的可行性,使用Talbol级配理论对骨料进行粒径控制,少量硅酸盐水泥作为胶凝材料,大量CS作为辅助胶凝材料,做了多组CG、CS、水泥、激活剂的不同配比实验。实验内容包括4个部分:骨胶比,总固体质量分数,激活剂质量分数以及其对凝结时间、流动性、泌水率、收缩率的影响和最佳配比的浸出实验。使用X射线荧光光谱分析、单轴抗压强度、自然堆积密度、塌落度、SEM-EDS,X射线衍射等手段分析了煤矸石-煤气化渣胶结充填体(CCCPB)的充填性能。实验结果表明:①受级配和水化程度影响,骨料掺量为20%时,其3 d和7 d的强度都达到最大值,28 d强度为6.7 MPa;②总固体质量分数对强度和流动性影响十分明显,且高水环境更有利于硫酸钠对CCCPB的激发效果;③硫酸钠可显著激发CS活性,3 d和7 d水化产物主要是氢氧化钙和水化硅酸钙,28 d时生成大量钙矾石,且随硫酸钠质量分数增加,充填体早期生成了更多的水化产物,在28 d龄期内并未出现强度折减现象;④随硫酸钠质量分数增加,凝结时间逐渐缩短,对终凝时间影响更为显著;塌落度、扩展度经时损失量逐渐增大;泌水率、收缩率逐渐减小,以硫酸钠质量分数2%为界限,各参数变化速率逐渐减小,且总固体质量分数对初始流动性的影响大于硫酸钠质量分数;⑤在最佳配比:骨胶比2∶8,总固体质量分数80%,硫酸钠质量分数2%时,各类重金属浸出量均低于国家标准,满足环保要求。基于上述研究,可以推断出CCCPB完全可以在充填开采中被使用。

关键词：煤气化粗渣充填材料最佳配比水化产物硫酸钠

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矸石聚合物充填材料承载特性试验研究

煤炭科学技术 2022年第9期50卷 222-229页

作者：郑丽辉周跃进张雷鸣毛东桂马永东中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室江苏徐州221116 中国矿业大学力学与土木工程学院江苏徐州221116

为有效控制煤炭开采引起的地质灾害及矸石带来的环境污染问题,以矸石为基材,研发新型矸石聚合物充填材料。基于聚合物的性能分析选取了3种聚合物,采用PFC数值模拟软件分析了不同粒径颗粒矸石充填体模型数值压实试验过程中应力应变曲线... 详细信息

为有效控制煤炭开采引起的地质灾害及矸石带来的环境污染问题,以矸石为基材,研发新型矸石聚合物充填材料。基于聚合物的性能分析选取了3种聚合物,采用PFC数值模拟软件分析了不同粒径颗粒矸石充填体模型数值压实试验过程中应力应变曲线关系及力链、裂纹演化。采用自制承载压缩装置对不同矸石聚合物充填材料进行了瞬时及蠕变压缩特性实验,分析了不同聚合物及不同聚合物掺量对材料承载性能的影响,得到了矸石聚合物充填材料在承载过程中的瞬时与蠕变压缩变形规律。研究结果表明,平均级配的矸石承载压缩率最小,数值模拟结果表明:最大粒径为40 mm的平均级配矸石充填体抗变形能力最好;不同聚合物的种类及掺量对充填体压实效应影响较大,承载有益效果丁苯乳液>丙烯酸酯>氯丁胶乳;矸石聚合物充填材料蠕变性能主要表现为衰减蠕变压缩阶段与稳定蠕变压缩阶段,未出现明显的加速蠕变压缩阶段。丁苯乳液聚合物掺量为0.096 kg时,矸石聚合物充填体的蠕变性能最优。当应力大于10 MPa时,随着加载应力的增加,其瞬时变形和蠕变变形的改变量所占其相应变形的比值则越来越小,矸石聚合物充填材料的蠕变性能较为稳定。该充填材料适用于大多数我国东部400 m以下、地压大于10 MPa的采空区。

关键词：充填材料矸石聚合物颗粒级配细观演化承载特性