高砂高泡水泥基充填材料的工程力学特性及其应用研究

摘要

充填开采可有效缓解煤矿开采带来的安全和环境问题，是实现煤矿绿色开采的主要技术途径之一。充填材料及其力学性能对降低成本、改善工艺和扩大充填开采的应用范围等有重要影响，是采矿行业关注和研究的热点问题之一。本文以西部地表广泛赋存的天然砂（土）为主要原料，与水泥、微硅粉等胶凝材料混合成浆，加入泡沫后制成高砂高泡水泥基充填材料，并围绕材料固结体的强度及演化特征、固结体的工程力学特性、料浆管道输送特性及巷道顶部空区的充填试验等展开系统研究。主要成果如下： （1）结合高砂、低胶和高泡水泥基充填材料的特点，揭示了材料的形成机理，掌握了砂胶比、泡沫添加量等因素对固结体强度及其演化特征的影响，明确了固结体强度与基体强度、气孔率和孔径参数（等效平均孔径和方差）的关系，并基于混凝土材料Ryshkewitch强度经验公式，提出了该材料固结体强度的预测公式。 （2）研究了高砂高泡水泥基充填材料固结体的工程力学特性。掌握了矸石粒径及添加量变化对材料固结体强度的影响；阐明了浸水、腐蚀环境下材料固结体的强度变化特征及其影响机理；揭示了高砂高泡水泥基充填材料固结体强度的尺寸效应，量化了1000kg/m3、1200kg/m3、1400kg/m3三种密度等级固结体强度与尺寸的关系。 （3）阐明了不同输送距离的高砂高泡水泥基充填料浆的管道输送特征。基于Bingham流变模型，建立了高砂高泡水泥基充填料浆屈服应力、塑性粘度等流变参数的计算模型，构建了料浆体积损失测试系统，得出了典型配比（水胶比0.6、砂胶比3.5、微硅粉比例10%，集料为细砂Ⅱ）下的料浆泡沫损失的计算公式，并提出了管道输送系统关键参数的确定方法。 （4）基于厚煤层遗弃资源复采工作面的顶板结构、巷道围岩及承载特征，依据充填垫层缓冲顶板动载的要求，确定了充填体的相关技术参数，构建了井下制浆及管道输送系统，实施了高砂高泡水泥基材料的充填试验。通过钻孔探测、现场充填体取样实测验证了高砂高泡水泥基充填材料的稳定性和工程应用效果的有效性。 研究成果可为高砂高泡水泥基充填材料在煤矿井下充填应用中的相关技术参数设计提供理论依据，也可为煤矿安全和绿色开采提供参考和借鉴。

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