煤礦膏體充填材料不同條件下的電阻率特性及應(yīng)用研究.pdf

1、煤礦膏體充填開采技術(shù)是解放村莊下、水體下、道路下的煤炭資源的有效途徑，同時(shí)，煤礦膏體充填材料以煤矸石、粉煤灰等固體廢棄物為主要原料，一方面可以改變固體廢棄物無序堆積污染環(huán)境的現(xiàn)狀，另一方面也可以有效控制地表沉陷。因此，煤礦膏體充填開采技術(shù)是實(shí)現(xiàn)綠色采礦的重要組成部分。膏體充填材料及特性是達(dá)到充填效果的關(guān)鍵因素，充填效果評(píng)價(jià)是完善膏體充填體系的重要環(huán)節(jié)。本文以原料的活性特征為切入點(diǎn)，充填材料的電阻率性能為主線，基于膏體充填材料電阻率對(duì)充填

2、效果的有效評(píng)價(jià)為目標(biāo)。采用實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)、理論分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的方法，對(duì)原料的活性特征、原料含量對(duì)充填材料電阻率性能的影響、單軸加載條件下應(yīng)力和電阻率的相互關(guān)系進(jìn)行了研究，并提出了一種基于煤礦膏體充填材料電阻率特性對(duì)充填效果的評(píng)價(jià)方法，取得了一些創(chuàng)新性成果。
　　為了了解充填材料中的原料的活性特征及其對(duì)充填材料電阻率的影響。研究了機(jī)械破碎后的矸石粉末和粉煤灰溶解在不同濃度的氫氧化鈣溶液48h內(nèi)的火山灰反應(yīng)特性和活性離子溶出特性

3、，采用X射線衍射儀(XRD)、熱場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(FETEM)和傅里葉紅外光譜儀(FT-IR)分別對(duì)矸石粉末浸入1mol/L和0.1mo/L Ca(OH)2溶液不同時(shí)間段的濾渣礦物成分、微觀形態(tài)和官能團(tuán)特征進(jìn)行了分析和觀測(cè)，同時(shí)運(yùn)用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(ICP-OES)和電導(dǎo)率儀分別對(duì)濾液的活性離子濃度和電導(dǎo)率進(jìn)行測(cè)定。分析了活性離子Al3+、Fe3+、Si4+來源于礦物成分中官能團(tuán)鍵能的變化，揭示了活性離子濃度變化的直接原因

4、是活性離子從礦物結(jié)構(gòu)中的溶出和參與火山灰反應(yīng)共同作用的結(jié)果，研究了礦物表面形態(tài)隨溶解時(shí)間增加針柱狀產(chǎn)物增多的變化過程。
　　分別研究了細(xì)矸石(-5mm)含量、粉煤灰含量和養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)充填材料礦物成分、微觀形態(tài)、孔隙結(jié)構(gòu)、孔隙溶液離子濃度、電阻率、抗壓強(qiáng)度的影響，揭示了材料抗壓強(qiáng)度變化的微觀機(jī)理是由材料孔隙率、材料硬化后漿體與矸石接觸面膠結(jié)作用引起，電阻率變化的微觀機(jī)理是由材料孔隙結(jié)構(gòu)、界面過渡區(qū)的裂隙和孔隙溶液的離子濃度共同作用的結(jié)

5、果。分析了原料含量造成材料性能變化的根本原因是原料對(duì)材料內(nèi)的物理填充、溶出的活性離子參與火山灰反應(yīng)。建立了不同粉煤灰含量條件下抗壓強(qiáng)度和電阻率的函數(shù)關(guān)系式，分析了不同細(xì)矸石含量條件下抗壓強(qiáng)度和電阻率不存在相關(guān)性的原因。
　　結(jié)合傳統(tǒng)巖石力學(xué)的方法，研究了早期膏體充填材料在自然和礦井水養(yǎng)護(hù)狀態(tài)下，應(yīng)力-應(yīng)變曲線的特征及變化規(guī)律，把充填材料單軸加載條件下的變形分為四個(gè)階段，分階段對(duì)變形特征進(jìn)行了詳細(xì)的分析。揭示了礦井水pH值和電導(dǎo)率變

6、化的機(jī)理，認(rèn)為充填材料內(nèi)發(fā)生的水化反應(yīng)和火山灰反應(yīng)是其變化的根本原因。分析了不同養(yǎng)護(hù)狀態(tài)下的孔隙率和孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)力-應(yīng)變-電阻率產(chǎn)生的影響，給出了不同養(yǎng)護(hù)狀態(tài)下應(yīng)力峰值前和峰值后的應(yīng)力與電阻率的函數(shù)關(guān)系式，為確定項(xiàng)板應(yīng)力作用下充填體電阻率提供了理論依據(jù)。
　　基于膏體充填材料的電阻率特性，提出了煤礦膏體充填效果的電阻率評(píng)價(jià)方法，介紹了該方法對(duì)充填體的監(jiān)測(cè)過程和數(shù)據(jù)處理的步驟，分析了該方法用于充填效果評(píng)價(jià)的優(yōu)勢(shì)，在新陽煤礦進(jìn)行了實(shí)際

7、的工程應(yīng)用。針對(duì)新陽煤礦充填工作面具體的地質(zhì)條件，設(shè)計(jì)了充填系統(tǒng)及其工藝，確定了上覆巖層的電阻率和充填體在不同開采階段的電阻率，利用正演軟件RES2DMOD，建立不同階段的充填體與覆巖的電阻率模型，通過反演軟件RES2DINV計(jì)算得出視電阻率曲線剖面圖，揭示了充填開采過程中，視電阻率曲線的形態(tài)和數(shù)值的變化規(guī)律。將電阻率充填效果評(píng)價(jià)方法應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)對(duì)充填體的監(jiān)測(cè)，將評(píng)價(jià)結(jié)果與正反演數(shù)值模擬對(duì)照，結(jié)果表明:本文提出的電阻率充填效果評(píng)價(jià)方法是可