矿山充填体作用机理与铝基复合充填胶凝材料研究

摘要

在环境保护、安全生产和资源回收标准不断提高的背景下，充填技术体现出节能减排、安全环保的良好效果，在处理空区、固废利用、深部开采、难采矿体开采等方面应用前景广阔。而目前使用的任何一种充填工艺技术，都存在着自身无法克服的弊端和不足，难以完全满足井下生产的要求。为此，有必要对充填体物理力学性质的认识、充填体和围岩相互作用过程进行深入研究，开发出破解制约充填技术进步的铝基充填材料，为深部矿产资源安全高效开采提供技术支撑。
　　 论文依托国家十一五科技支撑项目“矿井采空区探测与水害防治关键技术及装备研究”，结合本人获得的国家发明专利“铝基胶凝胶结充填复合材料”，通过室内实验、现场试验、理论分析等手段，以充填体为研究对象，在充填体力学特性及其与围岩相互作用机理研究基础上，以铝基充填胶凝材料为突破口，最终将理论成果运用于采充工艺中，该技术应用潜力十分巨大。
　　 论文完成的主要研究工作如下：
　　 (1)为了准确掌握充填体的力学特性，首次在采场进行了大尺度充填体的多手段、多方位、多性态力学性能测试，进一步验证了充填体室内力学试验结果，得到了全面准确的充填体力学性能参数，阐释了充填体力学特性。研究结果表明，保持胶结充填体的三维受力状态很重要；当胶结充填体达到屈服点之前，具有弹性支撑作用，过屈服点之后则具有“让压支座”的作用。
　　 (2)研究分析了采场充填体的让压、应力隔离、支护等作用过程，揭示了充填体和围岩的相互作用机理。模拟了不同采充过程中二者的应力变化，充填体的设计强度与围岩的弹性模量和地应力有关。模拟试验结果表明，对于采用两步骤回采的采场，矿房充填后塑性变形区范围有减小的趋势，且随着充填体强度的增大，这种作用越明显；一步骤采场进行有效充填，可改善应力状态，为二步骤采场回采创造有利条件(3)提出了铝基胶凝材料标准配比的概念，首次全面系统地进行了铝基胶凝材料从原料特性、反应机理、凝结硬化特征、材料物性及影响因素的试验和分析，形成了性能稳定、可实现单管输送的铝基矿用速凝材料及其标准配比。铝基胶凝材料的标准配比是以理化性能相对稳定的原料为标准原料进行配合比研究，所确定的配比。即以硫铝酸盐水泥熟料为铝基类活性材料，和石膏、碱性激发剂、添加剂所形成的胶凝材料配比。当采用其它一些具有“潜在”水化反应活性的材料(高炉矿渣、粉煤灰等)、化学石膏(磷石膏、氟石膏等)全部或部分取代标准配比的原料时，其配比可根据所用原料的矿物成分，以标准配比为基础，经换算初步确定后，再通过室内试验进行优化和确认。从而实现了用矿渣或粉煤灰分别取代30％～50％硫铝酸盐水泥熟料，用磷石膏取代天然石膏的各种配比的单管速凝充填料的研制，其性能均达到并超过了材料标准配方的指标，为矿用型速凝材料推广应用奠定了基础。
　　 (4)突破了铝基速凝材料应用和生产的技术瓶颈，实现了部分原料本地化和单管大流量输送。铝基矿用速凝材料具有固水能力强、料浆悬浮性和流动性好、不需脱水、凝固速度快、强度增长幅度大、充填成本合理、原材料来源广泛等特点。铝基矿用速凝材料其体积比含水率可高达70％以上，1小时凝固强度可达0.5～1.0Mpa，可实现矿山大流量连续充填作业，在需要快速固结和大面积采空区充填的条件下具有显著优势。
　　 (5)应用上述理论和室内试验研究成果，成功地应用矿山及其附近主要原料生产矿渣铝基速凝胶结材料，完成了某矿湖区下矿体开采充填参数优化，并用铝基胶凝材料，以矿山分级尾砂和全尾砂为骨料，进行了充填工业实验和工业应用，达到了预期的技术经济指标，形成了新的采充工艺模式，实现了以充填技术带动采矿工艺技术进步的目标。