煤矿绿色膏体充填材料研制及性能研究.pdf

论文题目 煤矿绿色膏体充填材料研制 及性能研究 作者姓名 专业名称 指导教师 论文提交日期 论文答辩日期 授予学位E l 期 入学时间2 Q 堇2 生2 且 研究方向珏墨远陷撞剑 皇巫缝I l l 堡芷 ●■■■■■●■■■■●●■■●■■■■■■■■■■一■●●■■●■■■●■■■■■■■●■■●●■●●一 职称 教授 2 Q 里垒刍E 旦 2 Q 里垒生旦 万方数据 S T U D YO NT H EP R E P A R A T I O NA N DP E R F O R M A N C E O FG R E E NP A S T EF I L L I N GM A T E R I A L AD i s s e r t a t i o ns u b m i t t e di nf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t so ft h ed e g r e eo f M A S T E RO FE N G I N E E R I N G f r o m S h a n d o n gU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y b y Z h a n gH a o q i a n g S u p e r v i s o r P r o f e s s o rG u oW e i j i a C o l l e g eo fM i n i n g a n dS a f e t yE n g i n e e r i n g M a y2 0 1 4 - 万方数据 明 本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除了所列参考文献和世所 公认的文献外，全部是本人在导师指导下的研究成果。该论文资料尚没有呈交 于其它任何学术机关作鉴定。 A F F I R A 压A T I o N 硕士生签名 日 础该 强为叶．；。占 Id e c l a r et h a tt h i sd i s s e r t a t i o n ，s u b m i t t e di nf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t s f o rt h ea w a r do fM a s t e ro fP h i l o s o p h yi nS h a n d o n gU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n d T e c h n o l o g y , i sw h o i 虹m yo w nw o r ku n l e s sr e f e r e n c e do fa c k n o w l e d g e ．T h e d o c u m e n th a sn o tb e e ns u b m i t t e df o rq u a l i f i c a t i o na t a n yo t h e ra c a d e m i c i n s t i t u t e ． 跳n a t u r e 彬缈 D a t e 扣l 钾，{ ．s 士尸 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 摘要 摘要 膏体充填是一种充实率高、充填体性能稳定、强度高、无需脱水的开采技术，也是 煤矿绿色开采技术体系的重要组成部分。本文针对膏体充填技术存在的材料来源单一、 粉煤灰活性利用率低等问题，提出了将建筑垃圾、粉煤灰等固体废物运用于膏体充填技 术中，主要在建筑垃圾的破碎工艺及基本特性、水泥一粉煤灰活性激发技术、建筑垃圾 一粉煤灰基绿色膏体材料配比及性能等方面展开了一系列理论与试验研究。 首先，理论分析了建筑垃圾的来源及其主要成分，在矸石破碎基础之上提出了建筑 垃圾煤矿膏体充填专用破碎系统，进而通过试验研究建筑垃圾再生骨料与煤矸石骨料的 性质区别，得出再生骨料具有吸水率大、压碎指标小、性质不稳定等结论。 其次，通过化学激发方法对水泥一粉煤灰胶凝体系进行了深入研究，分别得出脱硫 石膏、生石灰、硅酸钠等激发剂单掺和复掺对胶凝体系的影响规律，提出8 ％的脱硫石 膏和4 ％的生石灰复掺对胶凝体系的激发效果和经济效果最为显著；并且机械研磨2 0 m i n 后的粉煤灰，其火山灰活性会得到～定程度的提高。 最后，在以上研究的基础之上，对建筑垃圾一粉煤灰基膏体材料的输送性能、强度 性能的影响因素分别进行了分析和试验研究，得出质量浓度、固相比、不同来源的建筑 垃圾、再生微粉含量对膏体的影响规律；最后对充填体各个龄期的单轴抗压强度进行了 力学分析，结果表明充填体从初期的塑性变形阶段逐渐转变为塑一弹一塑性阶段，进而 转变为后期的弹一塑性变形阶段。 关键词膏体充填；建筑垃圾；粉煤灰；活性激发；输送性能；强度性能 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 A b s t r a c t P a s t ef i l l i n gi sak i n do ft e c h n o l o g yw h i c hh a sah i g hf i l l i n gr a t i o ，ah i g hs t r e n g t h ，a s t e a d yp e r f o r m a n c eo ff i l l i n gb o d yw i t h o u tt h ep r o c e s so fd e h y d r a t i n g ．A l s oi ti sa ni m p o r t a n t p a r to fg r e e nt e c h n i q u ei nc o a lm i n i n g ．I nt h i sp a p e r , a i m i n ga tt h ep r o b l e mo fo n l ys o u r c e m a t e r i a la n dt h el o wa c t i v a t e du t i l i z a t i o no ff l ya s h ，a p p l y i n gt h es o l i dw a s t ei n c l u d i n g c o n s t r u c t i o nw a s t ea n df l ya s ht op a s t ef i l l i n gi sp r o p o s e d ．T h e nt h i sp a p e r m a i n l ys t u d i e st h e c r u s h i n gp r o c e s sa n db a s i cp e r f o r m a n c eo fc o n s t r u c t i o nw a s t e ，t h ee x c i t a t i o nt e c h n i q u eo f c e m e n t f l ya s ha n dt h ep r e p a r a t i o na n dp e r f o r m a n c eo fp a s t ef i l l i n gm a t e r i a lb a s e do n c o n s t r u c t i o nw a s t ea n df l ya s h ． F i r s t l y , t h e s o u r c ea n dm a i nc o n t e n to fc o n s t r u c t i o nw a s t ea r e a n a l y z e da n dt h e c o n s t r u c t i o nw a s t ec r u s h i n gp r o c e s si sd e s i g n e db a s e do nt h eg a n g u ec r u s h i n gp r o c e s s ．T h e n t h ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h et w oa g g r e g a t e s ’p e r f o r m a n c ei sg o R e nt h a tt h er e c y c l e da g g r e g a t e h a st h ec h a r a c t e r i s t i c so fh i g hw a t e ra b s o r p t i o n ，l o wc r u s h i n d e xa n du n r e a d y p e r f o r m a n c e ． T h e nt h ec e m e n t - f l ya s hs y s t e mi sd e e p l ya n a l y z e db yc h e m i c a la c t i v a t e dw a y sa n dt h e i n f l u e n c er u l eo fF G Dg y p s u m ，l i m e ，s o d i u ms i l i c a t eo rt w oo ft h e mi sg o R e n ．T h er e s u l t s i n d i c a t et h a t8 ％F G Dg y p s u ma n d4 ％l i m eh a v et h eb e s te f f e c t ．A l s o ，t h ea c t i v i t yo ff l ya s hi s a l s oi m p r o v e da f t e r2 0m i n g r i n d i n g ． B a s e do nt h ea b o v er e s e a r c h ，t h ei n f l u e n c ef a c t o r so fc o n s t r u c t i o nw a s t ea n df l ya s h p a s t e ’St r a n s p o r t a t i o np e r f o r m a n c e ，s t r e n g t hp e r f o r m a n c e a r e a n a l y z e d 。E v e r yf a c t o r ’S i n f l u e n c er u l ei so b t a i n e d i n c l u d i n gm a s sf r a c t i o n ，s o l i d sr a t i o n ，d i f f e r e n ts o u r c e so f c o n s t r u c t i o nw a s t e ，a n dc o n t e n to fr e n e w a b l ep o w d e r ．A tl a s t ，a l lp e r i o d s ’m e c h a n i c a lt e s t i n g o ff i l l i n gb o d yi n d i c a t e st h a ti t c h a n g e sf r o mp l a s t i cd e f o r m a t i o nt op l a s t i c - e l a s t i c - p l a s t i c d e f o r m a t i o n ，a n df i n a l l yt Oe l a s t i c - p l a s t i cd e f o r m a t i o n ． K e yw o r d s p a s t ef i l l i n g ；c o n s t r u c t i o nw a s t e ；f l ya s h ；a c t i v i t ys t i m u l a t i o n ；t r a n s p o r t a t i o n p e r f o r m a n c e ；s t r e n g t hp e r f o r m a n c e 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 目录 目录 1 绪论．．．．．．．．．．。．．。．。。．．．．．．．．⋯⋯⋯⋯．．．．。．．。．．．⋯⋯。。．⋯⋯．。。．⋯⋯⋯。．．⋯⋯．．．．。．．．．．⋯。。．．1 1 ．1 课题研究背景及意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．1 1 ．2 国内外研究现状及分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 1 ．3 主要研究内容与技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 2 建筑垃圾的破碎工艺及基本特性研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 2 ．1 建筑垃圾的来源及其主要成分⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 2 ．2 建筑垃圾再生骨料的破碎与加工⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 2 2 ．3 建筑垃圾再生骨料的基本性质研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一1 5 2 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 0 3 粉煤灰一水泥一添加剂胶凝体系机理研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 1 3 ．1 粉煤灰物化性质及其活性机理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 1 3 ．2 试验材料、仪器及试验方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 4 3 ．3 水泥一粉煤灰一添加剂试验研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 7 3 ．4 机械研磨对粉煤灰活性影响的试验研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 3 3 ．5 粉煤灰一水泥一添加剂水化机理研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 5 3 ．6 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 9 4 建筑垃圾粉煤灰基膏体充填材料制备及性能研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 4 ．1 膏体充填材料的制备原则⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 1 4 ．2 建筑垃圾一粉煤灰基膏体输送性能影响因素试验研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 2 4 ．3 建筑垃圾一粉煤灰基充填体强度性能影响因素试验研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 7 4 ．4 充填体的力学性质试验研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯．5 4 4 ．5 配比优化及建议⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 7 4 ．6 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 8 5 结论及展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 0 5 ．1 论文主要结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 0 万方数据 山东科技大学硕士学位论文目录 5 ．2 论文创新点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 1 5 ．3 论文展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 2 致谢．．。．．。．．。．。．。．．．⋯⋯。。。．．．⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．⋯．．．．．。．。．。．．。．．。。．。。。。．。。．．．。．。。。．．．．6 3 攻读硕士学位期间主要科研成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 4 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 5 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 目录 C o n t e n t s 1I n t r o d u c t i o n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．1R e s e a r c hB a c k g r o u n da n dS i g n i f i c a n c eo f T o p i c ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．2P r e s e n tS i t u a t i o no fS t u d ya tH o m ea n dA b r o a d ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．．⋯⋯⋯．．2 1 ．3R e s e a r c hC o n t e n t sa n dT e c h n i c a lR o u t e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 2C r u s h i n gP r o c e s sa n dB a s i cP e r f o r m a n c eo fC o n s t r u c t i o nW a s t e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 2 ．1S o u r c ea n dM a i nC o n t e n t so fC o n s t r u c t i o nW a s t e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．9 2 ．2C r u s h i n gP r o c e s so f C o n s t r u c t i o nW a s t e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 2 2 ．3R e s e a r c ho nP r o p e r t i e so f C o n s t r u c t i o nW a s t eR e c y c l e dA g g r e g a t e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 5 2 ．4C h a p t e rS u m m a r y ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 0 3R e s e a r c ho ng e l l i n gm e c h a n i s mo ff l ya s h - c e m e n t - a d d i t i v es y s t e m ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯21 3 ．1P h y s i c a la n dC h e m i c a lP r o p e r t i e sa n da c t i v i t ym e c h a n i s mo f F l y A s h ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 1 3 ．2T e s t i n gM a t e r i a l s ．I n s t r m n e n t sa n dM e t h o d s ．⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯．⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯．．2 4 3 ．3E x p e r i m e n t a lR e s e a r c ho nf l ya s h c e m e n t a d d i t i v es y s t e m ⋯⋯⋯⋯⋯．．．．⋯．．．．．．．．．．⋯⋯．⋯．．⋯．．．．．．．．．．．．．．2 7 3 ．4A c t i v i t yt e s to ff l ya s hc e m e n t i n gm a t e r i a l sb ym e c h a n i c a lm e t h o d ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 3 3 ．5R e s e a r c ho nh y d r a t i o nm e c h a n i s mo f f l ya s h - c e m e m a d d i t i v es y s t e m ⋯⋯．．．⋯⋯⋯⋯⋯．．．⋯⋯⋯⋯⋯．．3 5 3 ．6C h a p t e rS u m m a r y ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯．⋯．．．．⋯．⋯⋯⋯4 0 4 P r e p a r a t i o na n dP e r f o r m a n c eo fP a s t eF i l l i n gM a t e r i a lB a s e do nC o n s t r u c t i o nW a s t e a n dF l yA s h ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 4 ．1P r e p a r a t i o nP r i n c i p l eo f P a s t eF i l l i n gM a t e r i a l ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 4 ．2E x p e r i m e n t a lR e s e a r c ho nC o n s t r u c t i o nW a s t ea n dF l yA s hP a s t e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯．⋯⋯⋯4 2 4 ．3E x p e r i m e n t a lR e s e a r c ho nC o n s t r u c t i o nW a s t ea n dF l yA s hF i l l i n gB o d y ⋯．⋯．．．⋯．⋯．⋯⋯．⋯⋯⋯⋯．．4 7 4 ．4E x p e r i m e n t a lR e s e a r c ho nM e c h a n i c a lP r o p e r t i e so f F i l l i n gB o d y ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 4 4 ．5P r e p a r a t i o nO p t i m i z a t i o na n dS u g g e s t i o n s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 7 4 ．6C h a p t e rS u m m a r y ．．．．．．．．．．．．．．⋯．⋯⋯．⋯⋯．．．⋯⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．．⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯．．．．．⋯．．⋯⋯．．．⋯．．⋯⋯⋯5 8 1 ；C o n c l u s i o n sa n dI n n o v a t i v eP o i n t s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 0 5 ．1M a i nC o n c l u s i o n s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 0 5 ．2I n n o v a t i o nP o i n t s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 1 万方数据 山东科技大学硕士学位论文目录 5 ．3P r o s p e c t s ．⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯．．．6 2 A c k n o w l e d g e m e n t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 3 A c h i e v e m e n t sd u r i n gW o r k i n go nM a s t e rP a p e r ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 4 R e f e r e n c e s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．t ；5 万方数据 山东科技大学硕士学位论文绪论 1 绪论 1 ．1 课题研究背景及意义 目前，我国对矿产资源的需求量越来越大，煤炭作为不可再生资源，在一次能源生 产和消费结构中一直占据7 0 ％左右，并且这一比例将持续很长一段时f B q i l l 。近年来煤炭 在为经济社会发展供应能源的同时，带来的生态环境问题愈发严重，引起了国家和人民 的极大关注。如山东省济北矿区，截止2 0 1 2 年年底，由采矿引起的土地塌陷已达到4 0 万亩，预计到2 0 2 0 年会达到7 0 万亩，对社会环境造成了很大的影响【2 ‘3 1 。近年来，随着 采矿技术水平的提高和我国对环境保护意识的增强，充填采矿越来越受到重视，并且已 经取得了一定的前期成果。充填技术可以将矿山固体废弃物如矸石、城市固体垃圾、废 弃粉煤灰、尾砂等用不同的方法充填至采空区，大大减少其破坏环境的力度。煤矿膏体 充填技术是绿色开采技术的重要组成部分1 4 1 ，因其充填率高、下沉系数小等优势近年来 在矿山充填领域得到较好的工业性应用与实践。其中，充填材料是整个膏体充填系统的 核心，其对充填质量的优劣、充填成本的高低、充填材料的输送性能、充填开采控制地 表沉陷的效果起着至关重要的作用1 5 喝】。 一方面，矸石作为膏体充填的材料来源多年来一直发挥着重要作用，但是煤矿的矸 石产量一般为煤炭开采量的1 5 ％左右，据调查，随着矸石被资源化利用如充填、制砖、 铺路等，许多矿山目前并没有充足的矸石量作为充填材料来源，如山东省岱庄煤矿会在 未来的四年之内就会将现有的1 5 0 万t 矸石山进行膏体充填，若不能及时找到新的骨料 来源将难以支撑煤矿充填开采技术的正常发展。因此，如何扩大材料来源范围对推动充 填技术的发展起到至关重要的作用。另一方面，充填成本的居高不下在很大程度上遏制 了膏体充填技术的推广应用，其中材料成本一般占整个充填成本的8 0 ％左右，而其中水 泥等胶凝材料又占据着绝大部分，加上水泥行业又是一个高能耗、高污染的行业，因此 研究开发新型低成本胶结剂替代水泥等胶凝材料是未来膏体充填发展的核心技术【9 】。 本课题围绕煤矿膏体充填采煤技术和建筑垃圾、粗粉煤灰等固体废弃物的再生利用， 提出了用建筑垃圾替代煤矸石、粗粉煤灰替代水泥进行煤矿膏体充填的新思路。建筑垃 圾是指建筑物在新建、改建、扩建和拆建过程中产生的固体废弃物的统称i l ⋯。近年来， 我国正处于大规模的城市化建设阶段，我国的城市垃圾每年产量已逾4 亿吨，建筑垃圾 占垃圾总量的近4 0 ％。建筑垃圾产量的急剧增加给城市环境造成的压力越来越大，在许 万方数据 山东科技大学硕士学位论文绪论 多城市已形成垃圾围城的现象【1 1 】。近年关于建筑垃圾资源化再生利用技术已在建筑等方 面相继展开，但其质量要求较高且用量有限，如何拓宽建筑垃圾的再生渠道仍是城市持 续发展所面临的问题。并且建筑垃圾与煤矸石相比，在成本上占有很大的优势，许多城 市目前已出台相关政策，会对建筑垃圾的处理给予相应的补贴和免税政策，这在一定程 度上降低了充填材料的费用。粗粉煤灰是燃煤电厂的衍生物，具有火山灰活性，其堆存 量已达数亿吨，占用了大量的耕地面积，并且极易发生扬尘造成大气污染【1 2 】。粉煤灰作 为细集料已在煤矿膏体充填中发挥了一定程度的作用，并且品质高的粉煤灰可以部分替 代水泥等胶结剂，有效降低充填成本，但是占据绝大产量的粗粉煤灰的火山灰活性必须 通过一定的激发剂和复合激发方法才能充分发挥出来，其活性激发技术仍有很大的研究 空间，这是科研工作者的研究重点。 将建筑垃圾粗粉煤灰等固体废弃物的有效处理和煤矿充填开采有效结合，则既可在 一定程度上解决煤矿采空区沉陷及“三下压煤“ 的问题，又能充分利用建筑垃圾、粗粉 煤灰等固体废弃物，变“两害为一利”，从而实现社会、经济和环境效益三赢的目标。目 前，关于此方面的研究刚刚起步，全面研究建筑垃圾的基本特性，准确掌握粗粉煤灰的 活性激发技术，并以此为基础来研制煤矿绿色膏体充填材料，不仅为废弃物的再生利用 提供了一条途径，而且为膏体充填技术的推广应用提供技术支持，具有重要的理论意义 与应用价值。 1 ．2 国内外研究现状及分析 1 ．2 ．1 膏体充填技术的国内外研究现状 国内外的矿山充填发展历程已经历了约一百年，从总体上看主要包括以下四个发展 阶段废石干式充填、水砂充填、低浓度胶结充填、高浓度充填 主要指膏体充填 。这 些发展过程基本都是在金属矿山中逐渐发展并且完善的，如膏体充填就是首先在德国的 格伦德铅锌矿发展起来的一种先进充填技术[ 1 3 - 1 5 】。而煤矿膏体充填与金属矿山膏体充填 具有一定的区别，特别是在材料的选择及其配比上，前者是指将矸石、废土、粉煤灰、 胶结剂等固体废物加工成具有特定性质的膏状浆体，利用高密度固体充填泵和重力的作 用下通过管道泵送至井下采煤工作面，及时充填采空区控制顶板运动的采矿方法，其主 要系统示意图如图1 ．1 所示。 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 绪论 图1 ．1 煤矿膏体充填系统不意图 F i g ．1 ．1S c h e m a t i cd i a g r a m so fp a s t ef i l l i n gs y s t e mi nc o a lm i n e 国内膏体充填开采技术发展较晚，而且其最先应用于金属矿山，如金川有色金属集 团在上世纪8 0 年代开始试验高浓度充填技术，充填材料主要利用了洗选尾砂、棒磨砂和 粉煤灰等，最先取得了相关技术的开发和实践经验。但是，煤矿固体膏体充填与非煤矿 山相比而言，从充填系统到材料选择、充填体性能要求等方面均有很大差别，因此，应 在认真分析非煤矿山膏体充填的特性基础之上来对煤矿膏体充填进行指导借鉴。近几年 来，煤矿膏体充填技术发展迅速，其中中国矿业大学是最先开展煤矿膏体充填技术研究 的单位，2 0 0 6 年5 月，其设计的山东太平煤矿固体废物膏体充填不迁村采煤工程取得重 大成功，这就意味着我国煤矿膏体充填开始进入工业性应用并进入高速发展阶段。而后， 山东、河南、河北等矿区相继开展膏体充填的工程试验，如岱庄煤矿、小屯煤矿、朱村 矿等，实际证明其充填效果在各类方法中具有较大的优势。这些工程项目的成功不仅有 效解决了村下压煤开采的问题，提高了矿井服务年限，而且有效扼制了传统开采方法所 引起的各种安全隐患I l 】。同时，许多科研人员也从充填机械化设备、充填材料性能、管 道输送性能等方面分别展开了大量的研究工作。张万里等【l6 J 在充分研究膏体充填技术及 相关系统的基础上，设计了膏体充填专用液压支架，此设备的研究开发实现了煤矿井下 工作面采煤与充填作业的同时进行，其与传统液压支架相比而言具有较大的优势。王海 龙，郭惟嘉等【7 J 对岱庄煤矿现场的充填体通过取芯、加工等工序在实验室进行了强度试 验研究，具体分析了充填体在工作面有限空间和特定环境下充填体的力学特性；赵才智， 周华强等I l7 。2 0 J 介绍了一种P L 矿用专用胶凝材料，其可以完全替代水泥，能保证膏体材 万方数据 山东科技大学硕士学位论文绪论 料快速凝结固化，达到一定的强度要求，并且此充填材料具有典型的塑性特征、弹性模 量大等特点，是一种理想的充填材料；同时得到了膏体的质量浓度、养护龄期、粉煤灰 种类及掺量等因素对充填体强度的影响规律，对材料的实际配比起到重要的指导作用； 通过现有的大量膏体料浆配比数据，通过相关模型获得一定的规律，进而对膏体料浆质 量的影响因素进行预测，此方法可以大大减少膏体在试验配比过程中的试验次数。董慧 珍，冯国瑞等【2 l 】对新阳矿的充填料浆进行了管道输送特性试验研究，得到了膏体在泵送 过程中，压力损失与泵送频率、体积分数、浆体流速的变化规律。张新国【2 2 】针对岱庄煤 矿长距离膏体泵送过程中管道易堵、难于清洗等问题，研制了一系列的自动化监测系统 包括防堵系统、压力监测系统等，并且提出了长距离管道满管自流清洗技术，对岱庄煤 矿膏体充填的实际应用起到了较好的效果。 这些理论成果及实际的工程应用的取得均为煤矿膏体充填技术的推广应用提供了一 系列参考，对合理开发、科学采煤等具有重要的指导意义。 1 ．2 ．2 建筑垃圾作为充填骨料的研究现状 目前，在我国的煤矿膏体充填项目中，其粗骨料均采用煤矸石作为骨料来源，对于 建筑垃圾作为材料来源的工程应用还未见报道。对于特定的矿井来说，其煤矸石的物理 化学性质相对单一，因此，其骨料性质就比较稳定，一般不会出现大的波动，如含泥量、 吸水率、密度等。一般对煤矸石的性质研究主要集中在颗粒级配、矸石粉的胶凝性等方 面。 我国对建筑垃圾再生利用于建筑领域的研究已经取得了一定的前期成果，研究热点 主要集中在再生骨料的性质研究方面，如再生骨料的各项物理性质研究，再生骨料的强 化研究，再生骨料用于再生混凝土的研究等。研究结果证明，再生骨料的物理性质较天 然骨料而言，其性质差、性能不稳定、吸水率过高，这一系列的特点限制了其扩大再生 资源化的范围【2 3 ‘2 5 1 。对此，科研工作者进行了许多的试验研究工作，这些成果的取得同 时对建筑垃圾作为矿山充填骨料的推广具有很大的促进与借鉴作用。 中国科学院谷志孟教授[ 2 6 - 2 7 1 最先提出将城市垃圾回填矿山采空区的构想，通过实例 论证两者结合的可行性，进而给出这项绿色工程的主要研究内容和技术路线图，指出这 是一项复杂的系统工程，涉及一系列行政、法律及管理上的问题，必须进行科学管理； 王中琪，王成端等‘2 8 1 也较早提出了利用矿山采空区处置城市垃圾的设想，并对涉及的内 容、工艺、研究内容进行了一系列的讨论和技术经济分析，其中包括工艺流程、经济费 4 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 绪论 用、水质污染等方面；匡中文等【2 9 】分析了城市固体垃圾的来源、分类及其物理化学组成 等，从理论上论证了其作为膏体材料的可行性和优越性，指出利用固体垃圾作为膏体充 填原材料既减少了岩层、地表移动破坏对环境的危害，又有效地保护了资源，变废为宝， 是一条洁净的开采途径。但是上述一系列的研究成果均是针对所有的垃圾而言，实际工 程应用中，建筑垃圾只占城市垃圾总量的3 0 ％- - - 4 0 ％，两者在物化性质等方面均存在着较 大的差异，这些研究只为建筑垃圾充填煤矿采空区提供了一些简单的理论依据，而没有 相应的试验基础作为参考。 刘音等【3 0 】从城市建筑垃圾消纳和采空区充填的角度出发，探讨了其作为膏体充填材 料的研究进展；崔石磊，梁晓珍等陟3 2 1 在进行建筑垃圾再生骨料的骨架式巷旁充填实验 中，以建筑垃圾为骨料与水泥、粉煤灰相胶结配制膏体充填材料，并与煤矸石为骨料的 充填材料进行了对比分析，结果表明两种膏体的工作性和抗压能力均能满足膏体充填的 基本要求，而且建筑垃圾膏体的抗压强度要高于矸石膏体。该实验为建筑垃圾再生骨料 用于煤矿膏体充填开采提供了重要基础。但是，建筑垃圾来源广泛，成分复杂，基本性 质离散性大，如不进行系统化的深入研究，两者的复合会面临诸多问题。而且目前关于 利用建筑垃圾进行煤矿充填开采的应用实例研究还处于摸索阶段，因此需要系统进行相 关试验研究来验证建筑垃圾应用于煤矿充填开采的技术可行性、经济合理性及其优越性。 1 ．2 ．3 粉煤灰活性激发的研究现状 粉煤灰作为一种具有潜在活性的火山灰活性材料，得到了众多科研工作者的关注， 如何充分激发低品质粉煤灰的活性，将极大提高粉煤灰在矿山充填中的利用率。 目前，粉煤灰常常被作为一种掺合料来单一地增加其流动性，而忽视了其潜在的胶 结功能。只有在最大程度上将粉煤灰的活性进行完全激发，才能有效提高粗粉煤灰的再 生利用率。粉煤灰在矿山充填材料的再生利用中通常采用化学激发方法，主要包括碱激 发、硫酸盐激发和氯盐激发【3 3 。3 6 1 。 碱激发一般是指粉煤灰中的活性S i 0 2 和A 1 2 0 3 在N a O H 、K O H 等作用下与粉煤灰本 身含有的或者由水泥等胶凝材料水化放出的C a O H 2 反应生成水化硅酸钙 C S H 或 水化铝酸钙 C A H 类物质，常见的碱性激发剂主要为N a O H 、K O H 、C a O H 2 、 N a 2 S i 0 3 【37