【摘要】：充填開采可有效緩解遺棄資源浪費、礦山開采過程引起的地表沉陷等問題,是實現(xiàn)礦山綠色開采的重要手段,充填材料的研發(fā)與應(yīng)用是采礦行業(yè)研究的熱點問題之一。本文以西北地表廣泛賦存的天然砂為骨料,將其與普通硅酸鹽水泥、微硅粉等凝膠材料混合成漿,摻入復(fù)合型發(fā)泡劑制成的泡沫,制備出高砂高泡水泥基充填材料,圍繞料漿的流動性、觸變性及固結(jié)體微觀孔隙特征、力學(xué)性能展開系統(tǒng)研究,主要研究成果如下:(1)結(jié)合高砂高泡水泥基充填材料的特征,研究了天然砂、水泥及微硅粉等主要原材料的物化性能,分析了凝膠材料水化反應(yīng)過程,掌握了HTQ-1復(fù)合型發(fā)泡劑物理發(fā)泡的優(yōu)點,揭示了泡沫的形成及破壞機理,根據(jù)材料強度原理等,計算得到了合理的材料配比范圍。研究了該材料泡沫料漿的流變性能及觸變性能,建立了屈服應(yīng)力、粘度系數(shù)及剪切速率與剪切應(yīng)力的計算模型,確定了泡沫料漿的凝結(jié)時間及影響因素;明確了料漿流變特征的影響因素,水膠比增加使得自由水含量增多,稀釋了凝膠材料的絮凝結(jié)構(gòu),降低了骨料顆粒及其之間的摩擦阻力,觸變性降低,流變性能增加;光滑泡沫的摻入能提升漿體流動性。(2)研究了高砂高泡水泥基充填材料固結(jié)體的氣孔形成機理,闡述了充填材料的制備,分析了該材料固結(jié)體孔隙特征及其影響因素。隨著砂膠比的增加,固結(jié)體孔隙率、氣孔平均孔徑、孔徑方差及圓度值均呈增大趨勢,砂膠比對泡沫摻入量較大試件孔隙特征的影響更加顯著;水膠比為0.6時,形成的氣孔較為均勻;泡沫與料漿混合時攪拌時間、攪拌速率的增加均可減小固結(jié)體平均孔徑、方差及孔隙率。(3)研究了高砂高泡水泥基充填材料固結(jié)體的力學(xué)性能,分析了強度影響因素及固結(jié)體的破壞特征。砂膠比的增加,減小了固結(jié)體強度,降低了固結(jié)體脆性,基體試件、密度等級800 kg/m3、1000 kg/m3試件的強度分別降低了35.4%、57.8%、53.1%,砂膠比對泡沫摻入量較大試件力學(xué)性能的影響更為顯著;堿性環(huán)境可提升固結(jié)體強度,酸性環(huán)境固結(jié)體腐蝕作用較強,可降低材料強度。(4)對高砂高泡水泥基充填材料充填效果進(jìn)行了數(shù)值分析,空區(qū)充填能使巷道圍巖的應(yīng)力分布得到改善,有效控制了巷道圍巖變形;使用該材料進(jìn)行了局部空區(qū)充填試驗,驗證了其充填效果的有效性。研究成果可為高砂高泡水泥基充填材料的應(yīng)用及礦山安全、高效、綠色開采提供參考和借鑒。
【圖文】：

水泥作為水泥基泡沫材料的凝膠材料，水泥的選取及性能研究是制備該材料及后續(xù)對孔隙特征研究必不可少的環(huán)節(jié)，，本實驗所用水泥為徐州中聯(lián)水泥廠生產(chǎn)的 P·O42.5R 普通硅酸鹽水泥如圖 2-1 所示。將水泥樣品用波長色散 X 射線熒光光譜儀進(jìn)行分析，得出 XRD 圖譜如圖 2-3 所示。

3）天然砂本次實驗材料制備過程選用的砂為新疆地區(qū)地表廣泛賦存的天然細(xì)砂，具有成本低廉，選取方便等優(yōu)點。天然細(xì)砂取材區(qū)域與細(xì)砂樣品如圖 2-4、圖 2-5 所示。
【學(xué)位授予單位】：中國礦業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TD823.7

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2667767