超细砂煤矿充填料配合比设计及力学性能试验研究.pdf

分类号密级 UDC单位代码 10078 华北水利水电大学硕士学位论文 超细砂煤矿充填料配合比设计及力学性能试验研究 STUDY ON MIXTURE RATIO DESIGN AND MECHANICS PERANCE TEST OF EXTREME FINE SAND MINE FILLING 研究生姓名孟 小 培 指导教师邢 振 贤教授 朱 向 红教高 专业名称建筑与土木工程 所在学院土木与交通学院 2017 年5 月 独立完成与诚信声明 本人郑重声明所提交的学位论文，是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工 作所取得的研究成果并撰写完成的。没有剽窃、抄袭等违反学术道德、学术规范的侵权 行为。文中除已经标注引用的内容外，本学位论文中不包含其他人或集体已经发表或撰 写过的研究成果， 也不包含为获得华北水利水电大学或其它教育机构的学位或证书所使 用过的材料。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确的说明并 表示了谢意。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 学位论文作者签名保证人（导师）签名 签字日期签字日期 学位论文版权使用授权书 本人完全了解华北水利水电大学有关保管、使用学位论文的规定。特授权华北水利 水电大学可以将学位论文的全部或部分内容公开和编入有关数据库提供检索， 并采用影 印、缩印或扫描等复制手段复制、保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部 门或机构送交论文原件或复印件和电子文档。 （涉密的学位论文在解密后应遵守此规定） 学位论文作者签名导师签名 签字日期签字日期 摘要 I 超细砂煤矿充填料配合比设计及力学性能试验研究 摘 要 随着国民经济的不断发展及人类对煤炭资源需求量的增大，为了解决建筑物下面、 道路下面、水体下面（简称“三下” ）压煤问题，煤矿开采技术也遇到了新的挑战。由 于传统的煤矿开采技术成本高、效率低、资源浪费严重，且不能有效控制地表沉陷，目 前国内外发展了许多充填开采法。由于煤矿充填采用泵送技术，要求充填料具有良好的 流动性，初凝时间要求不低于 2h，终凝时间 6～8h，为了保证充填体对上覆岩层起到有 效的支撑作用，确保安全有效的充填，充填体强度要满足要求。本试验以黄河库区淤积 超细砂、粉煤灰、42.5 级普通硅酸盐水泥以及三种外加剂为原料制备满足要求的煤矿充 填材料，研究其最佳配合比，并研究充填体的力学性能。 试验主要研究充填料基本性能的影响因素，利用正交表安排试验，根据充填开采技 术对充填料的要求，研究水泥掺量、粉煤灰掺量、料浆质量浓度、减水剂掺量、激发剂 掺量、促凝剂掺量等因素对充填料坍落度、初凝时间、终凝时间、充填体 28 天抗压强 度等指标的影响。通过正交试验的结果分析，得出了 6 个因素对充填料三种指标的影响 规律， 以及各因素水平变化对三个试验指标的影响趋势。 还对试验结果进行了方差分析。 通过充填料配合比的优化，确定出最优配合比为水泥掺量 400kg/m3、粉煤灰掺量 400kg/m3、料浆质量浓度 80、减水剂掺量 10kg/m3、激发剂掺量 10kg/m3、促凝剂掺量 100 kg/m3。 然后利用 SPSS 软件对充填料浆坍落度（x）与料浆稠度（y）之间做回归分析，得 出料浆坍落度与砂浆稠度值高度正相关，相关系数为 0.946，经过线性回归分析，得出 两个变量之间回归方程为 y0.3x2.877，回归效果显著。研究充填体抗压强度、劈拉强 度、抗折强度以及弹性模量等力学性能。进行抗压强度（x）与弹性模量（y）的相关性 分析，得出充填体抗压强度与弹性模量之间存在高度正相关的关系。 关键词煤矿充填料；配合比；正交法；力学性能 华北水利水电大学硕士学位论文 II ABSTRACT III STUDY ON MIXTURE RATIO DESIGN AND MECHANICS PERANCE TEST OFEXTREMEFINE SAND MINE FILLING ABSTRACT With the continuous development of national economy and the increase of demand for coal, in order to solve the problem of “three under“ pressure coal, coal mining technology has also met with new challenges. Because the traditional coal mining technology has the problem of high cost, low efficiency and severe resource waste, and can not effectively control the surface subsidence, many filling mining technology are developed at home and abroad. Due to coal mine filling using pumping technology, filling material requirements should have good liquidity, initial setting time is not less than 2h, final set time cannot longer than 8h. In order to ensure that filling body effective support to overburden, ensure a safe and effective filling, the compressive strength to meet the requirements. This article use the extreme fine sand, fly ash, 425 ordinary Portland cement, and three kinds of additive preparation coal mine filling material meet the requirements of and study the mechanical properties of the filling body. The main content of the experiment includes Using orthogonal table arrangement experiment. According to the requirements of filling mining technique to fill material, study the influence on filling slump, initial set time, final set time, filling body 28 days compressive strength of cement dosage, fly ash content and quality of slurry concentration, water reducing agent dosage, exciting agent dosage and the coagulant dosage. Through the analysis of the results of the orthogonal experiment , obtain the influence laws of six factors on the filling three indicators, finding out the main factors influencing the test result, and the influence trend of various factors level changes on three test index. Do variance analysis of the test result. The optimal mix proportion is Cement 400 kg/m3, fly ash 400 kg/m3, slurry concentration 80, water reducing agent 10 kg/m3, and excitation agent dosage 10 kg/m3, dosage of is coagulant 100 kg/m3. Using SPSS software to do regression analysis between slump（x） of filling pulp and slurry consistency（y）. It is concluded that the slump of the slurry and slurry consistency 华北水利水电大学硕士学位论文 IV value highly positive correlation, and the correlation coefficient is 0.946. Do linear regression analysis, the regression equation between the two variables is y 0.3x 2.887, and regression effect is remarkable. Research mechanics perance of filling body include compressive strength, splitting tensile strength, flexural strength and modulus of elasticity. Analysis the correlation of compressive strength and the elastic modulus filling body. It is concluded that there is a highly positive correlation relationship between compressive strength（x） and elastic modulus（y）of the filling body. KEYWORDS Coal mine filling; Mixture ratio; Orthogonal ; Mechanical properties 目录 V 目录 摘 要...........................................................................................................................................I ABSTRACT.............................................................................................................................III 1 绪论.........................................................................................................................................1 1.1 研究背景..........................................................................................................................1 1.2 研究现状及意义..............................................................................................................2 1.2.1 煤矿充填材料的研究现状.......................................................................................2 1.2.2 研究意义...................................................................................................................3 1.3 常用煤矿充填方式..........................................................................................................4 1.3.1 固体充填...................................................................................................................4 1.3.2 膏体充填...................................................................................................................4 1.3.3 超高水材料充填.......................................................................................................4 1.4 研究内容和技术路线......................................................................................................5 1.4.1 研究内容...................................................................................................................5 1.4.2 研究的技术路线.......................................................................................................5 2 试验原材料选择.....................................................................................................................7 2.1 充填开采及充填材料特性要求......................................................................................7 2.2 充填材料选择及充填料配比原则..................................................................................7 2.3 原材料..............................................................................................................................8 2.3.1 试验用水泥...............................................................................................................8 2.3.2 粉煤灰.......................................................................................................................8 2.3.3 超细砂.......................................................................................................................8 2.3.4 外加剂.......................................................................................................................9 3 充填料基本性能的影响因素................................................................................................11 3.1 水泥用量........................................................................................................................11 3.2 粉煤灰用量....................................................................................................................13 3.3 外加剂掺量....................................................................................................................14 3.3.1 减水剂掺量.............................................................................................................14 3.3.2 激发剂掺量.............................................................................................................16 3.3.3 促凝剂掺量.............................................................................................................17 3.4 本章小结........................................................................................................................18 4 正交法分析煤矿充填料配合比...........................................................................................21 4.1 正交试验法....................................................................................................................21 4.2 试验准备........................................................................................................................21 4.3 试验安排及试验指标....................................................................................................22 4.3.1 试验安排.................................................................................................................22 4.3.2 试验指标.................................................................................................................23 4.4 试验过程与充填料性能检测........................................................................................23 华北水利水电大学硕士学位论文 VI 4.4.1 充填料浆的拌制.....................................................................................................23 4.4.2 坍落度检测.............................................................................................................24 4.4.3 充填料浆凝结时间检测.........................................................................................25 4.5 试验结果........................................................................................................................26 4.6 试验结果分析................................................................................................................26 4.6.1 极差分析.................................................................................................................26 4.6.2 因素与指标趋势图分析.........................................................................................28 4.6.3 配合比优化.............................................................................................................31 4.7 试验结果的方差分析....................................................................................................32 4.7.1 方差分析步骤.........................................................................................................32 4.7.2 结论.........................................................................................................................35 4.8 本章小结........................................................................................................................35 5 充填料浆坍落度与稠度回归分析........................................................................................37 5.1 回归分析........................................................................................................................38 5.2 一元线性回归模型........................................................................................................38 5.3 坍落度-砂浆稠度回归分析过程及结果......................................................................38 5.3.1 SPSS 对坍落度-砂浆稠度的回归分析步骤..........................................................38 5.3.2 输出结果.................................................................................................................41 5.3.3 线性拟合输出结果.................................................................................................44 5.4 本章小结........................................................................................................................44 6 超细砂煤矿充填料力学性能研究.......................................................................................47 6.1 充填体对岩层的力学作用............................................................................................47 6.2 充填体试块制作与养护................................................................................................48 6.3 充填体力学性能检测....................................................................................................49 6.4 抗压强度与弹性模量的相关性分析............................................................................51 6.4.1 绘制抗压强度与弹性模量的散点图.....................................................................51 6.4.2 求抗压强度与弹性模量之间的相关系数.............................................................51 6.4.3 抗压强度与弹性模量的关系探讨.........................................................................52 6.5 本章小结.........................................................................................................................52 7 结论与展望............................................................................................................................55 7.1 结论................................................................................................................................55 7.2 展望................................................................................................................................55 攻读硕士学位期间发表的学术论文及参加的科研项目.......................................................57 致 谢.........................................................................................................................................59 参考文献...................................................................................................................................61 1 绪论 1 1 绪论 1.1 研究背景 煤炭资源在我国能源中占有主要的地位， 是国民经济和社会发展不可缺少的物资基 础， 要确保煤矿行业的健康发展， 来促进我国经济快速良好的发展。 据国家能源局统计， 目前我国煤炭资源剩余可采储量为 1842 亿吨，而我国煤炭资源消耗量大，以现有的储 量和消费水平仅够使用 50 年，然而，建筑物下面、道路下面、水体下面压煤量约 140 亿 t，全国煤矿采空区土地沉陷累计达 100 万公顷左右，每年还会出现 6 万公顷左右新 增采空区，而煤矸石累计堆积量达到 45 亿吨，占地 1.3 万公顷，并且还以每年约 3 亿吨 的速度在增加[1]。所以有必要研究建筑物下、道路下、水体下压煤的合理开采。煤碳资 源从地下采出后会留下空洞，称为采空区，覆盖在采空区上面的岩层由于少了支撑，受 到上部荷载的作用，会发生破坏，造成地表沉陷，从而引起地面建筑物及其他构筑物不 同程度的毁坏，水体系统、生态环境也受到不良的影响。传统的煤矿开采采出率低，而 且不能有效控制岩层的变形沉陷。 煤炭资源开采对环境的影响问题，在国际上日益受到关注，同时也是影响我国经济 发展的关键性问题。煤炭资源的地下开采，对土地造成不同程度的破坏，煤炭开采过程 中的矿井水和洗煤水如不经处理而排放，会对水资源尤其是地下水资源造成很大的影 响，煤矸石的随意排放除占用大量的土地资源外，还会严重污染空气和地下水，另外， 不合理的开采方式使瓦斯气体在地下空间积聚， 造成很大的安全隐患， 还会污染环境[2]。 针对煤矿开采引发的矿难灾害、资源浪费和环境破坏等问题，近些年，提出了煤炭资源 绿色开采的理念，发展了煤矿充填开采法。绿色开采目的是防止或减少煤炭开采过程中 对环境和其他资源造成的不良影响，尽量避免重大安全事故隐患。由于经济的不断发展 以及保护生态环境的要求， 人类越来越了解绿色开采的重要性[3-6]， 绿色开采技术也成为 现阶段备受欢迎的产业。从以上来看，研究煤矿充填开采技术确实对我国煤矿行业的发 展具有重要意义。 我国煤炭资源一般埋藏较深， 不合理的煤炭开采方式引起的生态环境问题越来越突 出。因采煤造成的土地塌陷、地下水流失、煤矸石占压地面、环境污染等问题，引起了 矿区生态的破坏，影响了社会的和谐。另外，一些开采时间较长的老矿区，存在着资源 接续难的问题，研究如何最大限度地回收“三下”压煤，也是一些煤炭企业急需解决的 问题[7-9]。 随着人们环境意识的增强， 不少煤炭企业， 都开始探索推广煤矿充填开采技术。 对于很多老矿井来说，利润水平较低，充填开采关键问题是成本高，而充填材料成 本是充填开采成本的重要组成部分，因此可从充填材料下手，降低充填料成本是解决问 题的关键。所以，通过研究充填材料及其性能，寻找价格较低的充填材料，研究出充填 华北水利水电大学硕士学位论文 2 体的合理强度，通过试验得出充填料合理的配合比，来达到控制充填料成本的目的。随 着工业水平的不断提高，人类对矿产资源的需求量也越来越大，同时工业生产过程中， 排放了大量的废弃物，生态环境不断恶化。粗放型的发展方式使人类日益提高的环境意 识与经济发展的矛盾日益突出。针对这种现状，在煤矿开采充过程中，普遍利用工业矿 渣，或煤矿开采产生的固体废弃物作为填充料来填充煤矿采空区，使废弃物得到综合利 用，减轻了因生产排泄物给大自然造成的危害[10-15]。 1.2 研究现状及意义 1.2.1 煤矿充填材料的研究现状 目前，国内外相继发展了许多充填开采法及充填材料，包括超高水材料充填、膏体 充填以及固体充填等。中国矿业大学研究发明的超高水材料，主要由 A、B 两种材料组 成，超高水材料水体积可高达 97，这种材料具有早强、快硬的特点，固结体体积应变 较小，凝结时间容易调、输送距离不受限制等优点；膏体充填料是一种牙膏状浆体，是 将煤矸石、粉煤灰、劣质土等固体物料与水进行优化组合配制而成的，充填时在外加力 或重力作用下用管道将浆体输送到地下采空区来完成充填作业， 膏体充填要求充填料具 有良好的稳定性、流动性、可塑性，保证膏体能够顺利地输送到地下；固体充填是利用 工业废弃物如煤矸石、赤泥、粉煤灰