【摘要】：充填開采可有效緩解煤礦開采帶來的安全和環(huán)境問題,是實現(xiàn)煤礦綠色開采的主要技術(shù)途徑之一。充填材料及其力學性能對降低成本、改善工藝和擴大充填開采的應(yīng)用范圍等有重要影響,是采礦行業(yè)關(guān)注和研究的熱點問題之一。本文以西部地表廣泛賦存的天然砂(土)為主要原料,與水泥、微硅粉等膠凝材料混合成漿,加入泡沫后制成高砂高泡水泥基充填材料,并圍繞材料固結(jié)體的強度及演化特征、固結(jié)體的工程力學特性、料漿管道輸送特性及巷道頂部空區(qū)的充填試驗等展開系統(tǒng)研究。主要成果如下:(1)結(jié)合高砂、低膠和高泡水泥基充填材料的特點,揭示了材料的形成機理,掌握了砂膠比、泡沫添加量等因素對固結(jié)體強度及其演化特征的影響,明確了固結(jié)體強度與基體強度、氣孔率和孔徑參數(shù)(等效平均孔徑和方差)的關(guān)系,并基于混凝土材料Ryshkewitch強度經(jīng)驗公式,提出了該材料固結(jié)體強度的預(yù)測公式。(2)研究了高砂高泡水泥基充填材料固結(jié)體的工程力學特性。掌握了矸石粒徑及添加量變化對材料固結(jié)體強度的影響;闡明了浸水、腐蝕環(huán)境下材料固結(jié)體的強度變化特征及其影響機理;揭示了高砂高泡水泥基充填材料固結(jié)體強度的尺寸效應(yīng),量化了1000 kg/m~3、1200 kg/m~3、1400 kg/m~3三種密度等級固結(jié)體強度與尺寸的關(guān)系。(3)闡明了不同輸送距離的高砂高泡水泥基充填料漿的管道輸送特征�；贐ingham流變模型,建立了高砂高泡水泥基充填料漿屈服應(yīng)力、塑性粘度等流變參數(shù)的計算模型,構(gòu)建了料漿體積損失測試系統(tǒng),得出了典型配比(水膠比0.6、砂膠比3.5、微硅粉比例10%,集料為細砂Ⅱ)下的料漿泡沫損失的計算公式,并提出了管道輸送系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)的確定方法。(4)基于厚煤層遺棄資源復(fù)采工作面的頂板結(jié)構(gòu)、巷道圍巖及承載特征,依據(jù)充填墊層緩沖頂板動載的要求,確定了充填體的相關(guān)技術(shù)參數(shù),構(gòu)建了井下制漿及管道輸送系統(tǒng),實施了高砂高泡水泥基材料的充填試驗。通過鉆孔探測、現(xiàn)場充填體取樣實測驗證了高砂高泡水泥基充填材料的穩(wěn)定性和工程應(yīng)用效果的有效性。研究成果可為高砂高泡水泥基充填材料在煤礦井下充填應(yīng)用中的相關(guān)技術(shù)參數(shù)設(shè)計提供理論依據(jù),也可為煤礦安全和綠色開采提供參考和借鑒。
【學位授予單位】：中國礦業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TD823.7
【圖文】：

加入泡沫后制備高砂高泡展高砂高泡水泥基充填材料的配比研究料的形成機理，闡述了高砂高泡水泥基奠定基礎(chǔ)。2.1 原材料及其物理化學性質(zhì)（of Raw Materials）2.1.1 膠凝材料1）普通硅酸鹽水泥水泥是充填材料中常用的膠結(jié)材料煤礦充填開采的需要，早強型水泥早期形成，且成本和普通水泥接近，應(yīng)用廣本實驗選用的水泥為徐州中聯(lián)水泥2-1 所示。由圖 2-2 可知，實驗用水泥的鈣 C2S、鋁酸三鈣 C3A 等。

10d —10%顆粒能通過的篩孔直徑，mm。圖2-5 細集料篩分示意Figure 2-5 Sketch of fine aggregate screening4 種集料顆粒粒徑分布見 2-4，并繪制集料的顆粒級配曲線如圖 2-6 所示。表 2-4 集料的顆粒粒徑組成Table 2-4 Particle size composition of fine aggregate種類顆粒粒徑分布粒徑/mm ＜0.075 0.075-0.1 0.1-0.25 0.25-0.5 0.5-1細砂Ⅰ比例/% 4.2 5.06 72.3 12.5 5.94累計/% 4.2 9.26 81.56 94.06 100細砂Ⅱ比例/% 1.01 3.26 91.08 3.78 0.87累計/% 1.01 4.27 95.35 99.13 100細砂Ⅲ比例/% 15.14 2.71 73.14 2.91 6.1累計/% 15.14 17.85 90.99 93.90 100高原黃土比例/% 25.70 4.63 41.23 9.89 18.55累計/% 25.70 30.33 71.56 81.45 100圖 2-6 細集料顆粒粒徑級配累計曲線Figure2-6 Accumulation curve of particle size and gradation of fine aggregate由表 2-4 知，細砂Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的顆粒粒徑主要集中在 0.1mm-0.25mm，且超過 0.1mm 的顆粒占比分別為 90.74%、82.15%、95.73%（超過 75%），屬于細砂，加權(quán)平均粒徑分別為 0.22mm、0.18mm 和 0.19mm，粒徑的不均勻系數(shù)分別為 5、01020304050607080901000.01 0.1 1顆于某粒徑小粒質(zhì)量分數(shù)%/粒徑/

的比例為 69.67%（不超過 75%），屬于粉砂，加權(quán)平均粒徑 0.17mm，不均勻系數(shù)大于 10，粒徑分布較為分散，粒度不均勻。通過偏光顯微鏡觀測四種天然砂（土）細集料的顯微結(jié)構(gòu)形貌如圖2-7所示。由圖可知，細砂Ⅰ、細砂Ⅱ、細砂Ⅲ多呈棱角狀，棱角較為鮮明，顆粒呈不規(guī)則形狀，圓度較差；黃土顆粒無明顯棱角。（a）細砂Ⅰ （b）細砂Ⅱ（c）細砂Ⅲ （d）黃土圖2-7 細集料顯微結(jié)構(gòu)形貌Fig2-7 Microstructure of fine aggregate2）細集料的密度及礦物成分四種不同天然砂（土）的密度及其含水率見表 2-5。其中細砂Ⅱ的粒徑小且分布集中，堆積密度最大，黃土以粉土為主，堆積密度最小。表 2-5 四種天然砂（土）的部分物理性質(zhì)Table2-5 Part physical properties of four natural sands天然砂（土）項 目細砂Ⅰ 細砂Ⅱ 細砂Ⅲ 黃土堆積密度/kg·m-31608 1704 1643 1488天然含水率/% 4.27 5.47 4.75 5.33（a）細砂 （b）粉土圖2-8 天然砂（土）的XRD圖譜Fig2-8 XRD spectra of natural sand0 10 20 30 40 50 60 70 80 900100020003000400050002222

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