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  • 散狀固體改性充填膠凝材料試驗探討與推廣

    論文價格:150元/篇 論文用途:碩士畢業論文 Master Thesis 編輯:碩博論文網 點擊次數:
    論文字數:43666 論文編號:sb2022050617394746954 日期:2022-06-04 來源:碩博論文網

    本文是一篇工程碩士論文,本文通過對不同矸石骨料粒徑級配方案的應力-應變曲線分析,獲得數據,并開展以礦渣粉為基礎,添加少量水泥熟料以及脫硫石膏的一種低成本早強早凝的新型膠凝材料,通過正交試驗設計獲取最佳數據。
    第 1 章  緒論
    1.1  選題背景及研究意義
    1.1.1  選題背景
    隨著經濟社會的發展,煤炭資源消費占比雖有所下降,但仍大于其他可再生能源消費的總和,達到 60%左右,如圖 1-1 所示。究其原因還是由于我國“富煤、少油、少氣”的資源現狀所導致的[1-2]。隨著習近平總書記多次強調我國要在 2030年前達到碳達峰,在 2060 年前實現碳中和,但不可否認的是,在今后的十年甚至幾十年內,煤炭資源的消費占比仍然會處于領先地位[3-7]。

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    圖 1-2 是我國近幾年的煤炭產量的詳細數據,從圖中可以看出,煤炭的年產量處于穩步上升,占全球煤炭總產量的 45%以上,雖偶有下滑,但不影響整體趨勢。由此可見,我國仍是煤炭的生產消費大國。但是隨著許多優質煤炭的開采,許多礦井已臨近枯竭,不少煤炭資源處于建筑物、鐵路、以及水體下( “三下”壓煤),如何安全有效地開采煤炭資源,并且減小對地表生態的擾動乃是煤炭開采研究的重中之重[8-9]。
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    1.2  國內外研究現狀
    本節重點分析了煤礦固體充填開采以及膠凝材料 2 個方面的國內外研究現狀。
    1.2.1  煤礦固體充填開采的國內外研究現狀
    煤礦固體充填開采技術就是利用煤矸石等一些采煤伴生物再重新填充至工作面采空區,在最大程度上降低巖層移動,從而起到保護地表生態的作用[42]。 充填開采技術的發展已經有幾十年的經驗,已經逐步形成了以膏體充填、高水充填及矸石固體充填為主的充填采煤技術。尤其是在進入 21 世紀以來,隨著許多優質煤炭以及可便采煤炭資源的開發,許多礦井已臨近枯竭,為了避免停產,計劃開采“三下”資源,這使得固體充填技術得到了廣泛應用[43-46]。
    近年來,為了進一步處理煤矸石等固體廢棄物,中國礦業大學[47]在翟鎮煤礦直接將矸石用于井下充填,不僅減小了地表下沉,還消除了煤矸石占地緊張的問題,同時還極大程度上解放了煤炭資源,使一些礦井得以延續壽命,也提高了企業的效益。矸石直接充填的骨料為散狀固體矸石,這些矸石在液壓支架推實力下,通過散體矸石顆粒相互接觸,起到支撐上覆巖層的作用。但散體材料具有較為明顯的分散性、復雜性和易變性,其顆粒在外加壓力下會發生滑移、撓曲、破碎以及滾動,使得原有的散體間的空隙得以被填充[48]。但散狀矸石固體僅能在一定范圍內保持其堆積形態,且能承受較大的壓力與剪力,但不能承受或者只承受較低拉力。散體的強度主要是散體顆粒之間形成的粘結力與摩擦阻力,細顆粒與粗顆粒表面接觸所產生的附著力,以及粗顆粒之間的相互咬合力。而且由于自重作用,矸石顆粒沿坡面自然分級對充填效果的影響較為突出,一般而言,細顆粒矸石存在于坡面上方,而粗顆粒則由于自身重力會滑落至坡面底部,這就導致了各部位力學特性存在差異[49-50]。
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    第 2 章  固體充填矸石骨料粒徑級配研究 
    2.1  固體充填對充填體性能要求分析
    充填采煤法主要是用來保護地表沉陷,降低采煤對地表生態環境的破壞。本節著重分析了充填體的作用機理以及充填后巖層的力學結構模型,然后對充填體早期以及后期強度性能進行了分析,并計算出充填體強度的理論值,為試驗提供支撐。
    2.1.1  充填體作用機理
    隨著煤炭資源的采出,不可避免地會形成一個采空區,由于在采空區上方的上覆巖層失去了原有的平衡狀態,處于懸空狀態,且受限于外界壓力以及自身重力的影響,會造成巖層塌落、下移,進一步引起地表沉陷現象。固體充填開采技術就是利用矸石等工業廢棄物混以膠凝材料來置換煤炭資源,充填體的強度以及密實率充填越高,最終固結成型對巖層的支撐效果越好,從而使巖層不垮落,地表沉陷變形小,也能降低安全隱患等問問題。 隨著充填采煤技術的逐漸成熟,一些專家學者對其作用機理研究的理論也日漸豐富。有關充填體的力學作用機理也被普遍認同。
    (1)支撐采空區頂板:地下煤炭資源的開采勢必會產生采空區,可在移動液壓支架后以及往采空區充入充填材料,并在短時間內快速凝結并形成強度,以達到支撐頂板的作用。從而減小了頂板破碎程度,避免了上覆巖層下移,使地表發生沉陷變形。
    (2)改善采空區圍巖應力分布:在煤炭被開采之后,地下巖層處于不穩定狀態,勢必會出現應力集中現象。固體充填就是在頂板還未破碎變形前,將充填物料填入采空區,相當于替換原先煤炭,使其盡量保持原先狀態,從而緩解采空區圍巖的應力分布。
    (3)對上覆巖層能量釋放起到緩沖作用:煤炭被采出之后,由于平衡狀態被打破,導致巖層移動變形,當采空區被充實后,留給上覆巖層的可移動空間便被壓縮,從而使采動引起的周期來壓步距在距離上被進一步拉長。使礦山壓力造成的破環變小。從能量角度來講,就相當于降低了能量的釋放。 總的來說,固體充填開采就是用工業廢棄物來置換煤炭,采空區上方巖層在充填體支撐作用下,使得圍巖的應力分布相對來說變小,在一定程度上緩解地表沉降。因此,為了最大程度上減小上覆巖層下移,保證井下作業安全以及保護地面建筑物,就是要在采空區盡可能多地充入更多矸石物料,也就是盡可能大地增加充填率,即采出多少充入多少。
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    2.2  固體充填材料的選擇
    2.2.1  充填物料的選取原則
    隨著近些年對環境保護提出了更高的要求以及國家對綠色發展的重視,在對充填物料的選取上應該以工業固廢為主,并且要具備以下四項原則:
    (1)安全原則
    安全問題是進行一切生產的前提,只有保證人身安全,才能夠保證正常作業,尤其是對煤礦企業來講,井下生產本身就是一個高危行業,因此再對于充填物料的選取上,應該保證充填后可以對巖層起到很好地保護作用,不會出現頂板大面積垮落的現象,引起不必要的安全問題。
    (2)環保原則 隨著煤炭行業的發展,也引起了一系列的環境問題,像煤矸石的大量堆積成山,引起對土地以及空氣的污染問題,包括一些工業固廢,比如礦渣、脫硫石膏等,都會對環境造成一定的負擔。因此在充填物料的選取上,應當以這些工業固廢以及煤矸石為主,既能使固廢資源化,也能降低其對環境造成的污染問題。
    (3)來源充足原則
    對于煤礦固體充填開采來講,對充填物料的需要量一定很大,因此所選取的充填物料一定要具備來源充足的原則,用以滿足礦山充填開采。對于礦山來說,采煤所夾帶的矸石以及掘進巷道所產生的矸石均可以作為充填材料,而且工業固廢礦渣也是高爐煉鐵的副產品,均可作為充填材料。 (4)經濟原則 經濟效益一直是煤礦企業追求的目標之一,在滿足安全生產的條件下,選取一種既能滿足充填強度需求,又能盡可能低地降低充填膠凝材料的低成本,則是一個重要的研究方向。
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    第 3 章  膠凝材料配比試驗及其水化機理研究 ····························23
    3.1  實驗材料與實驗儀器 ····································23
    3.1.1  礦渣粉 ·········································23
    3.1.2  水泥熟料 ························24
    第 4 章  自動配料控制系統設計 ·····························37
    4.1  控制系統總體方案設計 ·································37
    4.2  系統硬件設計 ·····································38
    第 5 章  工業應用 ··································47
    5.1  工程概況 ·······································47
    5.1.1  礦井概況 ··································47
    5.1.2  礦井地質條件 ························47
    第 5 章  工業應用
    5.1  工程概況
    5.1.1  礦井概況
    西山煤電東曲煤礦位于山西省古交市,于 1985 年 9 月開始建設,在 1991 年12 月投入生產,占地面積 57.9km2,截至目前剩余服務年限為 76 年。2014 年 10月東曲煤礦正式升級為煤與瓦斯突出礦井(晉煤瓦發〔2014〕1241 號),水文地質類型為中等。該礦 28802 工作面位于麻坪嶺村莊東南,埋深 232m~313m,地面標高 1050~1173m,工作面標高 818~860m,工作面具體參數見表 5-1:

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    5.1.2  礦井地質條件
    (1)地質構造
    在整個工作面回采過程中,有 4 條小褶曲存在,分別為皮順側距切眼 461m、軌順側距切眼 484m,皮順側距切眼 739m、軌順側距切眼 715m,這兩條褶曲為背斜,軸走向分別為 126。~153。、135。;在皮順側距切眼 611m、軌順側距切眼 600m,皮順側距切眼 863m、軌順側距切眼 818m,有兩條褶曲為向斜,軸走向分別為 135。、109?!?31。,對正常充填采煤有一定影響。
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    結論
    本文主要針對固體充填矸石骨料粒徑級配與膠凝材料配比開展研究,為了進一步提高充填體強度,加強對上覆巖層的支撐,降低采煤對地面造成的擾動,從而解放“三下”壓煤。通過對不同矸石骨料粒徑級配方案的應力-應變曲線分析,獲得數據,并開展以礦渣粉為基礎,添加少量水泥熟料以及脫硫石膏的一種低成本早強早凝的新型膠凝材料,通過正交試驗設計獲取最佳數據。并研發了一套自動配料控制系統,實現多源入料以及對生產情況的實時監控。最后以西山煤電東曲礦為背景,展開工業實踐,進一步驗證了材料的科學性。本文的主要研究成果如下:
    (1)為進一步提升固體充填的密實充填率,開展了對矸石骨料粒徑級配的研究。首先對矸石骨料的理化特性進行分析,獲取骨料的力學性能,并依據初級破碎后矸石粒徑占比展開設計,通過對不同粒徑級配方案的應力-應變曲線進行分析,計算在相同試驗載荷下每種級配方案的壓縮率,壓縮率越大,說明骨料內部結構越密實,在上覆巖層載荷作用下,充填體的抗壓縮能力也就越強。最終得到矸石骨料粒徑級配方案為:0~10mm:10~30mm:30~40mm=3:6:1。
    (2)采用 XRD 能譜分析儀和 SEM 掃描電鏡,分析膠凝材料的水化產物以及微觀結構,了解充填體形成強度的機理。從微觀角度來說明充填體強度形成的機理,其中主要水化產物 C-S-H 凝膠以及鈣礬石(AFt)是充填物料形成強度的主要因素,也是早期膠凝起膠凝作用的物質,并且隨著養護齡期越長,內部結構也愈加緊湊。
    (3)為進一步降低充填材料成本,同時也保證固體充填的最終強度,開展了以礦渣粉為基礎,輔以少量水泥熟料以及脫硫石膏的材料研究。首先對各種原材料的化學成分進行分析,了解每種材料參與水化反應的活性物質,并以此展開正交試驗設計。通過單軸抗壓強度測試,得到了不同試樣的試驗力-位移曲線,經過對比強度,最終確定了膠凝材料的最優配比,即礦渣粉:水泥熟料:石膏為 70:25:5,在該配比下,充填體 7d 和 28d 強度分別為 3.48MPa、5.11MPa?;谠撃z凝材料,對充填物料的輸送特性進行測試,滿足長距離輸送要求,并通過橫向對比試驗,進一步驗證了該膠凝材料的科學性。
    參考文獻(略)


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