礦山充填體作用機理與鋁基復(fù)合充填膠凝材料研究.pdf

1、在環(huán)境保護、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、深部開采、難采礦體開采等方面應(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，有必要對充填體物理力學(xué)性質(zhì)的認識、充填體和圍巖相互作用過程進行深入研究，開發(fā)出破解制約充填技術(shù)進步的鋁基充填材料，為深部礦產(chǎn)資源安全高效開采提供技術(shù)支撐。
　　 論文依托

2、國家十一五科技支撐項目“礦井采空區(qū)探測與水害防治關(guān)鍵技術(shù)及裝備研究”，結(jié)合本人獲得的國家發(fā)明專利“鋁基膠凝膠結(jié)充填復(fù)合材料”，通過室內(nèi)實驗、現(xiàn)場試驗、理論分析等手段，以充填體為研究對象，在充填體力學(xué)特性及其與圍巖相互作用機理研究基礎(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，首次在采場進行了大尺度充

3、填體的多手段、多方位、多性態(tài)力學(xué)性能測試，進一步驗證了充填體室內(nèi)力學(xué)試驗結(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)充填體達到屈服點之前，具有彈性支撐作用，過屈服點之后則具有“讓壓支座”的作用。
　　 (2)研究分析了采場充填體的讓壓、應(yīng)力隔離、支護等作用過程，揭示了充填體和圍巖的相互作用機理。模擬了不同采充過程中二者的應(yīng)力變化，充填體的設(shè)計強度與圍巖的

4、彈性模量和地應(yīng)力有關(guān)。模擬試驗結(jié)果表明，對于采用兩步驟回采的采場，礦房充填后塑性變形區(qū)范圍有減小的趨勢，且隨著充填體強度的增大，這種作用越明顯；一步驟采場進行有效充填，可改善應(yīng)力狀態(tài)，為二步驟采場回采創(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)地進行了鋁基膠凝材料從原料特性、反應(yīng)機理、凝結(jié)硬化特征、材料物性及影響因素的試驗和分析，形成了性能穩(wěn)定、可實現(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、理化性能相對穩(wěn)定的原料為標(biāo)準(zhǔn)原料進行配合比研究，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，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，再通過室內(nèi)試驗進行優(yōu)化和確認。從而實現(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，其性能均達到并超過了材料標(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、料漿懸浮性和流動性好、不需脫水、凝固速度快、強度增長幅度大、充填成本合理、原材料來源廣泛等特點。鋁基礦用速凝材料其體積比含水率可高達70％以上，1小時凝固強度可達0.5～1.0Mp