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充填膏体性能影响因素试验研究

作　者: 郭晓彦
导　师: 冯国瑞
学　校: 太原理工大学
专　业: 采矿工程
关键词: 膏体充填煤矸石粉煤灰工作特性力学特性变形特性
分类号: TD823.7
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

膏体充填是目前解决煤矿“三下”压煤和控制地表沉陷最为有效的方法,也是防止煤矿开采引发各类环境破坏的重要技术措施,膏体充填技术还可以从源头上治理煤矸石、粉煤灰无序堆积造成的环境污染,实现固体废物的合理利用,改变先污染后治理的现状,促进勘探—采煤—矿山环境治理全过程控制技术的发展。充填材料的性能是膏体充填技术的核心,充填材料性能的好坏直接决定充填的效果,而粉煤灰掺量、水泥掺量、细矸率、膏体质量浓度又是决定充填材料性能的最重要因素。因此,本论文通过充填原材料矿物及化学成分分析、工作特性试验、力学特性试验和变形特性试验等,对影响充填膏体材料性能的因素进行了研究。根据膏体充填的工艺流程及对上覆岩层的控制理论,充填开采中对膏体性能的要求主要有三个方面：一是膏体必须具有良好的流动性、可塑性和稳定性,以确保其能够按要求输送到采空区；二是充填膏体必须具有适当的早期和后期强度,以确保在开采过程中和开采后充填体能对上覆岩层起到稳定的支撑作用；三是充填膏体必须具有较小的收缩率,以确保充填体接顶并对上覆岩层起到长期有效的支撑作用。因此,本试验主要以坍落度、扩展度和泌水率,不同龄期(3d、7d、14d和28d)的立方体抗压强度,不同龄期(1d、3d、7d、14d、28d、60d和90d)的膏体收缩值作为衡量膏体性能的指标,来选择最佳配合比。原材料的矿物成分对膏体的性能有重要的影响。本论文首先对新阳煤矿煤矸石和汾西矿业集团粉煤灰的矿物成分进行X衍射分析。新阳煤矿原料煤矸石颗粒中,300mm以上颗粒比重大,配比前要进行破碎,其煤矸石颗粒属砂岩、粘土质矸石,性质比较稳定,适合用作膏体材料的粗骨料。汾西矿业集团第一发电厂粉煤灰中含有较低含量的氧化钙,属于低钙粉煤灰,具有一定的火山灰活性,可用于膏体充填配料,但早期火山灰反应不明显,后期较为显著。坍落度、扩展度和泌水率是衡量膏体工作性能的主要指标。本文进行了不同粉煤灰掺量、水泥掺量、细矸率和质量浓度下的膏体坍落度、扩展度和泌水率变化试验,分析研究了粉煤灰掺量、水泥掺量、细矸率和质量浓度对充填膏体的工作特性影响的变化规律并结合试验结果理论分析了粉煤灰、水泥、细矸率和质量浓度对充填膏体工作特性影响的作用机理。结果表明随着粉煤灰掺量、水泥掺量和质量浓度的增加,反映膏体工作特性的坍落度、扩展度和泌水率都呈现降低的变化规律,而随着细矸率的增大,坍落度和扩展度先增大后减小,泌水率减小。立方体抗压强度是评价膏体力学性能的指标,本文进行了不同粉煤灰掺量、水泥掺量、细矸率和质量浓度下的膏体不同龄期(3d、7d、14d和28d)的立方体抗压强度试验,分析研究了粉煤灰掺量、水泥掺量、细矸率和膏体质量浓度对充填膏体的力学特性影响的变化规律以及充填膏体立方体抗压强度随龄期变化的发展规律并进行了作用机理的分析。结果表明,对充填膏体早期强度的影响因素中,粉煤灰掺量影响不明显,质量浓度影响显著,水泥掺量次之,最后是细矸率；对充填膏体7天强度的影响因素中,质量浓度影响较为显著,其他因素的影响作用相差不大；对充填膏体后期强度的影响因素中,粉煤灰掺量的影响最显著,而后是水泥掺量,然后是细矸率,影响作用最不显著的是质量浓度；综合起来,粉煤灰主要影响充填膏体后期强度,质量浓度主要影响早期强度,细矸率对强度有长期的影响作用。收缩是指膏体在发展过程中由多种原因引起的收缩量的叠加,充填体的收缩性能是影响膏体强度稳定性和能否接顶的关键因素。本文最后进行了不同粉煤灰掺量、水泥掺量、细矸率和质量浓度下的膏体不同龄期(1d、3d、7d、14d、28d、60d和90d)收缩值变化试验,分析研究了粉煤灰掺量、水泥掺量、细矸率和质量浓度对充填膏体变形特性影响的变化规律和充填膏体收缩值随龄期变化的规律以及作用机理。结果表明细矸率为40%时,收缩值最小；水泥掺量越大,收缩值越大,质量浓度越大,收缩值越小；粉煤灰对收缩有较好的抑制作用。

全文目录

摘要  3-6
ABSTRACT  6-12
第一章绪论  12-24
  1.1 选题的背景与意义  12-20
    1.1.1 我国煤炭资源现状  12-15
    1.1.2 我国煤炭生产中存在的问题  15-17
    1.1.3 充填开采与膏体充填  17-20
  1.2 膏体充填的研究与应用现状  20-21
  1.3 膏体充填存在的问题  21-22
  1.4 研究的主要内容及方法  22-24
    1.4.1 研究的主要内容  22-23
    1.4.2 研究的主要方法  23-24
第二章试验材料  24-32
  2.1 充填膏体配比原则  24
  2.2 充填原材料  24-30
    2.2.1 煤矸石原状粒度分布与成分分析  25-26
    2.2.2 粉煤灰形态特征与成分分析  26-28
    2.2.3 水泥的矿物与化学成份  28-30
  2.3 小结  30-32
第三章充填膏体工作特性试验  32-48
  3.1 试验方案  32-33
  3.2 试验设备、方法及过程  33-38
  3.3 试验结果与分析  38-47
    3.3.1 试验结果  38
    3.3.2 不同粉煤灰掺量对充填膏体工作特性的影响  38-41
    3.3.3 不同水泥掺量对充填膏体工作特性的影响  41-43
    3.3.4 煤矸石粒径分布对充填膏体工作特性的影响  43-45
    3.3.5 不同质量浓度对充填膏体工作特性的影响  45-47
  3.4 小结  47-48
第四章充填膏体力学特性试验  48-58
  4.1 试验方案  48
  4.2 试验设备、方法及过程  48-51
  4.3 试验结果与分析  51-56
    4.3.1 试验结果  51
    4.3.2 不同粉煤灰掺量对充填膏体力学特性的影响  51-53
    4.3.3 不同水泥掺量对充填膏体力学特性的影响  53-54
    4.3.4 煤矸石粒径分布对充填膏体力学特性的影响  54-55
    4.3.5 不同质量浓度对充填膏体力学特性的影响  55-56
  4.4 小结  56-58
第五章充填膏体变形特性试验  58-68
  5.1 试验方案  59
  5.2 试验设备、方法及过程  59-61
  5.3 试验结果与分析  61-66
    5.3.1 试验结果  61
    5.3.2 不同粉煤灰掺量对充填膏体变形特性的影响  61-63
    5.3.3 不同水泥掺量对充填膏体变形特性的影响  63-64
    5.3.4 煤矸石粒径分布对充填膏体变形特性的影响  64-65
    5.3.5 不同质量浓度对充填膏体变形特性的影响  65-66
  5.4 小结  66-68
第六章结论与展望  68-72
  6.1 结论  68-69
  6.2 展望  69-72
参考文献  72-76
附录  76-82
致谢  82-84
攻读硕士期间的学术成果与参加科研项目情况  84

充填膏体性能影响因素试验研究

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