城市固体垃圾充填煤矿采空区技术研究.pdf

I | I I | Ⅷ| | | | l 洲㈣l | | | I l | l | | ⋯| | l I l 0 Y 3 613 519 硕士学位论文 城赢凰体蟪掇充填．煤砬采窒．区。技．本硒究． 圉鱼曼￡蕊J ￡墅。Q 照．卫鱼 曼廷№重n 魏l _ 。S Q 骐彗。W 璺j } 鲤。量照n 里g g Q 烈m 迪I e ．．Q Q 缱 作者姓名陈希 指导教师张宏伟教授 学科专业采矿工程 二。一七年六月 万方数据 关于论文使用授权的说明f 掣缨剿必掣磐 本学位论文作者及指导教师完全了解辽宝王程撞本太堂有关保留、使用 学位论文的规定，同意辽宝工程堇丕太堂保留并向国家有关部门或机构送交 论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，学校可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编本学位论文。 保密的学位论文在解密后应遵守此协议 学位论文作者签名鄹∑仁 刎7 年石月叼目 导师签名 庐77 年 万方数据 分类号 U D C T D 3 2 4 6 2 2 学校代码1 幽 密级公开 硕士学位论文 城市固体垃圾充填煤矿采空区技术研究 量渲曼￡曼譬￡A ．Q 旦．受互堕堕重蚋I 操量。S Q 骐堕．№；蝇l ￡．量逊重l 曼g ．C Q al 善骐重魏e - ．垂妾0 - 延 作者姓名陈希 指导教师张宏伟教授 申请学位工学硕士 学科专业采矿工程 研究方向矿山压力与矿井动力灾害防治 辽宁工程技术大学 万方数据 致谢 师恩如海，首先非常感谢我的导师张宏伟教授，在辽宁工程技术大学近三年的硕士研 究生学习期间，为我提供了良好的科研条件，让我有机会得到锻炼。学高为师，身正为范， 老师严谨的治学态度、务实的工作作风、诲人不倦的高尚师德和坦荡的为人给予了我学习 和生活方面重大影响，在老师的指导下，我各方面能力均得到了很大的提高，老师的帮助 使我如沐春风，终生受益。从论文的选题、现场调研、实验室试验、理论分析、现场试验 到论文的编撰，无不体现着张老师的心血，有了张老师的精心指导和帮助，论文才能够按 期保质保量的完成。 感谢辽宁工程技术大学研究生院、矿业学院和地质动力区划研究所对我的培养和教 育 感谢矿业学院李胜教授、韩军教授、宋卫华副教授、霍丙杰副教授、杨艳国副教授、 兰天伟副教授在专业知识方面给予的帮助 特别感谢陈蓥副教授和朱志洁讲师在实验室测 试和数值模拟方面的指导，并为论文提供建设性的思路，使论文能够和现场紧密联系 感 谢荣海博士、付兴博士、朱峰博士、罗明坤博士、李云鹏博士、范超军博士、赵象卓博士 在理论分析和数据处理中的帮助和建议 感谢路洋波、邵凌峰、康震、李仕为、周坤友等 硕士师兄弟在论文写作过程中给予的帮助和支持 感谢父母和家人对我的支持和养育之恩，是我前进拼搏的动力 感谢各位专家、教授在百忙之中评审论文 万方数据 摘要 随着经济快速发展，城市固体垃圾产量成倍增加而固体垃圾处理手段相对落后，以及 各种不规范的垃圾填埋作业方式引起了严重的环境污染问题。煤矿开采过程中产生大面积 的采空区，未经有效处理的采空区，引起采空区上部地表的下沉，甚至引起地表建筑物的 危险性变形，影响其正常的使用。本文在此背景下提出采用城市固体垃圾充填采空区，促 进城市固体垃圾无害化处理与矿山采空区隐患治理。 由于煤矸石膏体完全充填煤矿采空区，面临矸石骨料供应不足现状，影响矿井膏体充 填技术的实施。为此本文拟采用城市固体垃圾代替煤矸石作膏体充填材料骨料。经过对煤 矸石和固体垃圾充填料浆相关技术指标的对比，确定固体垃圾代替煤矸石作充填骨料是可 行的。运用B P 神经网络预测充填体强度。正交实验测试数据为基本样本，13 个实验样本 作为训练样本，3 个实验样本作为测试样本。对网络进行仿真模拟，训练样本检验网络的 拟合能力，测试样本检验网络的泛化能力。检验结果表明训练样本抗压强度的相对误差为 O ．4 2 ％～1 0 ．8 8 ％，其中误差小于5 ％的占8 7 ．5 ％，网络具有好的数据拟合能力。测试样本抗 压强度的相对误差为1 ．7 5 ％～4 ．1 0 ％，其中误差小于5 ％的占1 0 0 ％，网络具有极好的泛化 能力。 采用数值模拟方法，模拟了上湾矿采空区不同处理方式下地表下沉情况。模拟结果显 示垮落法开采地表最大下沉值为4 8 8 8 mm ．固体垃圾不同充填强度下开采地表最大下沉 值分别为2 5 9 8 m m 、1 8 5 7 m m 和1 5 7 4 m m 。在考虑一定经济成本基础上确定上湾矿适宜充填 体强度为2 ．5 M P a ，运用已经训练好的网络，确定了上湾矿垃圾充填体配合比。 关键词城市固体垃圾；采空区膏体充填；B P 神经网络；充填体强度。 万方数据 A b s t r a c t W i t hs o c i a le c o n o m yr a p i d l yd e v e l o p i n g ，o w m gt ot h em u l t i p l i e dn l u n i c i p a ls o l i d 、Ⅳa s t e ， l e s s s o p h i s t i c a t e dd e a l i n gm e a n sa n d i l l - f ．o r m e dl a n d f i Ud i s p o s a l ，t h o s ef a c t o r sl e a ds e r i o u s e c o l o g i c a le n V i r o m n e n tp o l l u t i o n ．c o a lm i I l 抽g l e f tal a r g e2 u r e ao fg o a fe V e r yy e a r ．W i t h o u t e f f e c t i v e l yg o v e m i n gg o a ￡ i tc a u s e ss u r f a c es u b s i d e n c ea n dd e s t m c t i v ed e f o r m a t i o no f s t m c t u r e s ．A tt h eb a c k g r o u n d ，p a p e rp u t sf o r w a r dac o n c e p t i o nt h a t Ⅱm n i c i p a ls ol i dw a s t ef i l l s g o a ￡w h i c hc a nr e a l i z ei 衄o c u o u st r e a t m e n to f r e m s ea n dh i d d e nt r o u b l es ol u t i o no fg o a ￡ A si fr e a l i z m ga Uo fc o a lm i l l eg o a ff i l l i n g ，t h e r ee x i s t sam a t t e rt h a tc o a lg a n g u ei si ns h o r t s u p p l y ．P a p e rp u t s f o r 、v a r dai d e at h a tm u n i c i p a ls o l i dw a S t et a l e st h ep l a c eo fc o a l g a n g u e ．T h r o u g ha n a l y s i s i l l gn l u n i c i p a ls o l i dw a s t ea n dc o a lg a n g u ep a s t es l u l l 了，i tf ．m d st h a t m u n i c i p a ls 0 1 i dw a s t eb e i n gi np a l c eo fc o a lg a n g u ei sd o a b l ei I lt h e o 巧．S o l i d 、Ⅳa s t er e c y c l m g u s ec u r r e n ts i t u a t i o na m l y s i s ，t h er e a s o n so fl o wu t i l i z a t i o ne m c i e n c yi 1 1C h m ai ss o l i dw a s t e t r e a t m e n tt e c l l I l o l o g yr e l a t i V et 0t h eE u r o p e a na n dA m e r i c a nd e V e l o p e dc o u n t r i e s ，b a c k w a r dA n d t h et e c h n o l o g yb e h i n dt h er e a l i t yi sn o tm as h o r tp e r i o do ft 硫et om a k eu pf o rT h e r e f o r e ，i I lt h i s p a p e r ，u s m gs o l i dw a s t e 洒p l a c eo fc o a lg a n g u ea sp a S t ef i l l i l l ga g g r e g a t e ．P a p e rs e l e c t sB P n e u r a ln e t w o r kt op r e d i c tb a c k f i l ls t r e n g t h ．B a s e do nt h eo m l o g o n a le X p e r i H l e n td a t a ，l3s 锄p l e s 2 u r ed i v i d e di n t ot h et r a i n i l l gs a m p l e ，t h eo t h e r sa r ed i V i d e d 缸ot e s ts 哪p l e s ．T 1 1 r o u g ha n a l o g u e s i r I m l a t i o no ft h en e t w o r k ，t r a i l l m gs a m p l e sc h e c ko u tf l t t 证ga b i l “y 龇l dt e s ts a L r n p l e sc h e c ko u t g e n e r a l i Z a t i o na b i l i t y ．t h er e s u l ts h o w st h a tr e l a t i V ee H o ro fc o m p r e s s i V es t r e n g t hi s0 ．4 2 ％～ 1 0 ．8 8 ％f o rt r a i l l i I l gs a m p l e sa n di s1 ．7 5 ％～4 ．1 0 ％f o r t e S ts a m p l e s ．S on e t w o r kh a sg o o df i t t i l l g a b i l i t ya n dg e n e r a l i z a t i o na b i l i t y ． B yu s m gn u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o d ，p a p e rs h u l a t e ss u r f a c es u b c i d e n c eu n d e rd i 疵r e n t p r o c e s s i n gm o d eo fg o a ￡T h es 证m l a t i o nr e s u l t ss h o w t h a tt h el a r g e s tV e r t i c a ld i s p l a c e m e n ti s 4 8 8 8m mb yc a v i n gm i n i l l g ；t h el a r g e s tV e r t i c a ld i s p l a c e m e n ti s2 5 9 8m m 、 l8 5 7m m 、15 7 4m m u n d e rd i f I ’e r e n t6 l l i n gs t r e n g t h ．F m a l l y ，p a p r e rm a k e ss u r et l l a ta p p r o p r i a t ef i l l 证gs t r e n g t hi s 2 ．5 M P af o rS h a n g w a n gc o a lm i n e ． K e yw o r d s M u n i c i p a ls o l i dw a s t e ；p a s t ef i l l i n go fg o a ￡b a c k - p r o p a g a t i o na r t i f i c i a ln e u r a l n e t w o r k s t r e n g t ho fo b t u r a t o r ．I I 万方数据 目录 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I A b s t r a c t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．I I 目 录⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I I I 1 绪{ 仑⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 ．1 研究背景和研究意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 ．1 ．1研究背景⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．1 ．2 研究意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 1 ．2 国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 1 ．2 ．1充填开采技术研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 1 ．2 ．2 充填材料研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 1 ．2 ．3城市固体垃圾资源化利用现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 1 ．3主要内容及其技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 1 ．3 ．1 主要内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 1 ．3 ．2技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 2固体垃圾作充填骨料特征分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 2 ．1城市固体垃圾组成成分⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 2 ．2 固体垃圾地面预处理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 3 2 ．2 ．1固体垃圾地面分选工艺⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 2 ．2 ．2固体垃圾地面破碎工艺⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．15 2 ．3固体垃圾与煤矸石对比分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．18 2 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 l 3固体垃圾充填体强度影响因素分析及试验研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 2 3 ．1 固体垃圾充填体强度影响因素分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 2 3 ．1 ．1有机质含量 除纤维外 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 2 3 ．1 ．2 固化剂⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 2 3 ．1 ．3 纤维⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 2 3 ．1 ．4粗细骨料配合比⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 3 万方数据 3 ．2固体垃圾充填体强度试验设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 3 3 ．2 ．1正交试验设计法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 3 3 ．2 ．2试样制备⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 4 3 ．2 ．3试样抗压强度测试⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 3 ．2 ．4 试验结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 9 3 ．3本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 4 4基于B P 神经网络模型预测垃圾充填体强度⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 5 4 ．1B P 神经网络的基本原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 5 4 ．1 ．1B P 网络模型及主要思想⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 5 4 ．1 ．2B P 算法的数学描述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 6 4 ．2B P 神经网络在充填体强度预测中的适用性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 9 4 ．3强度预测模型的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 0 4 ．3 ．1 网络结构层数的确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 0 4 ．3 ．2各层神经元数目的确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 l 4 ．3 ．3 网络传递函数的确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 3 4 ．3 ．4网络训练函数及学习函数的的确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 4 4 ．3 ．5神经网络结构的确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 6 4 ．4B P 神经网络的训练及仿真模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 6 4 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 9 5上湾矿固体垃圾膏体充填材料配合比确定及充填工艺⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 0 5 ．1 工作面地质开采条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 0 5 ．1 ．1矿井交通⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 0 5 ．1 ．2矿井地层⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 0 5 ．1 ．3煤层赋存情况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 1 5 ．1 ．41 2 4 0 1 工作面开采条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 2 5 ．2固体垃圾充填体强度确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 3 5 ．2 ．1数值模拟软件简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 3 5 ．2 ．2 基本假设⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 3 5 ．2 ．3数值模拟模型的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 4 ．I V ． 万方数据 5 ．2 ．4本构关系及参数选取⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 5 5 ．2 ．5 采空区不同处理方式地表开采沉陷分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 5 5 ．3 固体垃圾充填体配合比确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一5 7 5 ．4 固体垃圾充填工艺⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 8 5 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 9 6结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 0 6 ．1 结j 沦⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 0 6 ．2 展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 1 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 2 作者简历⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 5 学位论文原创性声明⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 6 学位论文数据集⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 7 ．V 一 万方数据 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 绪论 1 ．1 研究背景和研究意义 1 ．1 ．1 研究背景 在2 1 世纪，随着城市化进程的不断发展，人与生态环境的和谐相处成为当今社会可 持续发展的首要任务、也是目前政府职能部门所面临的严重环境问题。伴随着城镇化进程 的发展，更多的农村人口涌入城市，由此而产生了一系列的生态环境恶化问题【1 】【2 】。例如 随着固体垃圾产量的成倍增加、现有对固体垃圾处理手段的局限性，以及现有的各种不规 范的垃圾填埋作业方式引起了严重的环境污染问题 周围土壤的重金属污染、填埋气对空 气的污染等 。 城市垃圾是城市中固体废弃物混合体的统称，其处理情况直接关系到我国城市景观、 资源的合理利用和社会的可持续发展。据有关资料统计，中国每年产生近1 ．5 1 0 9 t 城市固 体垃圾，累积堆放量已高达7 ．O 1 0 9 t 【3 】。中国约有三分之二的城市陷入垃圾围城的困境， 这些城市垃圾绝大部分是露天堆放大量露天堆放的垃圾所产生的恶臭和滋生的蚊蝇虫鼠 严重影响人们的健康，垃圾在长期存贮发酵过程中产生的污物，对附近土壤水体大气都将 产生极为严重的污染，并对人们的生活健康形成直接威胁。现行城市固体垃圾处理方法主 要有焚烧法、堆肥法和地面浅填埋法【4 J 。 1 焚烧法 这种方法主要是指将垃圾归集整理后，用燃烧的方法加以处理。其能有效减少垃圾的 体积与重量 其一般能使垃圾的体积减少约9 0 ％，重量下降约7 5 ％ ；通过破坏垃圾中某 些成分的结构去除其毒性；能破坏垃圾中的可生物降解的部分，从而减少产生毒气的可能 性；焚烧时所产生的热量还可以产生有用能源 如发电 。但是其所需投资大、对技术要 求高，还不可避免地造成对大气的严重污染，同时还会生成污染物 如重金属 含量很高 的炉灰，如图1 ．1 所示。 2 堆肥法 堆肥法目前已在世界各地得到了广泛的推广与应用。由于堆肥法能通过微生物的好氧 或厌氧降解而将固体废弃物中的有机成分转化为腐殖质的物质，因而其既可用于土壤的改 良又不至于对环境产生消极影响。加之堆肥法不仅能变废为宝，而且操作方式简便，几乎 无资金与技术方面的特别要求，所以其在垃圾处理，尤其是在家庭生活的垃圾处理方面具 有很强的适用性，如图1 ．2 所示。不过，堆肥法由于不适应垃圾规模化处理，而且又受垃 万方数据 辽宁工程技术大学硕士学位论文 圾组成成分的制约，因此在目前的垃圾处理方法中，其很难作为一种主流方法。 图1 ．1 垃圾焚烧 F 嘻1 ．1 W s t ei n c i n e r a t i o n 图1 ．2 垃圾堆肥 F i g ．1 ．2 W a s t ec o m p o s t 3 地面浅填埋法 据统计，在全球每年产生的的城市垃圾中，用土地浅填埋的方式处理掉的占9 2 ％，而 这当中又有6 0 ％～7 0 ％的属于非常简易的浅填埋处理方式。直接的土地浅填埋法处理方式简 便，在垃圾处理中应用极其普遍，但对环境造成的污染与破坏很大。河北唐山的一座垃圾 填埋场如图1 ．3 所示。 ．2 一 万方数据 辽宁工程技术大学硕士学位论文 图1 ．3 垃圾填埋场 F i g ．1 ．3 R u S el a n d f i l l 长期以来，中国煤炭开采存在粗放开采的弊端，谢和平1 5 J 院士指出，中国2 0 1 0 年全国 煤炭产能的平均得分仅为4 2 ．5 8 分，欧美发达国家评分均在9 0 分以上。中国煤炭开采距离 欧美发达国家存在较大的差距，谢和平院士因此提出了“科学开采”的概念，即安全开采、 高效开采、绿色开采和经济社会可持续开采。煤炭开采引起的一系列问题也理应引起更多 的重视。多年来由于矿山大规模的开采和选矿活动，对矿区地质环境、水文环境、大气环 境等造成了极大的破坏，同时矿山占用和闲置的大量土地是对土地资源的严重浪费。恶劣 的生态环境、大量地质灾害隐患及土地资源的严重浪费已成为人民生活生产和经济可持续 发展的重要障碍。特别是开采引起的地表沉陷 如图1 ．4 所示 ，使中国出现了大量的沉 陷区，沉陷区建筑物稳定性受到破坏，水资源环境受到污染【6 J 。由于地下煤炭资源的开采， 改变了原岩中的应力平衡状态，应力发生了重新分布，从而造成上覆岩层和地表的移动和 变形，对地表的建筑物和构筑物的稳定性造成损害【_ 卜mJ 。地表建筑物和构筑物在开采沉陷 的影响下出现了一系列损害，地表的水平变形容易使得建筑物出现拉伸裂缝，而裂缝的出 现导致建筑物的不安全因素出现，甚至导致建筑物的破坏；地表的倾斜变形导致地表出现 不均匀的沉降，对建筑物和构筑物来说，会产生基础的不均匀沉降，导致建筑物本身出现 倾斜，威胁其稳定性和正常的使用功能⋯叫引。由于开采沉陷所产生的地表盆地远大于采空 区的范畴，因此不仅在采空区正上方出现采煤沉陷，而是会出现较大面积的沉陷区，沉陷 区的建筑物和构筑物发生破坏 如图1 ．5 所示 ，甚至在地表会出现塌陷坑。通过相关数 据统计‘1 6 】【1 7 】，我国因采矿形成的采空区面积约8 ．0 9 1 0 3 k m 2 ，造成的地面塌陷面积3 ．5 2 1 0 3 k m 2 ，占压和破坏土地面积1 ．4 3 1 0 4 k m 2 。未经有效处理的采空区的存在还会对相邻采 区煤层开采产生透水、瓦斯涌出和冲击地压等巨大的安全生产隐患【1 8 儿1 9 】。在解决地下水污 一3 一 万方数据 辽宁工程技术大学硕士学位论文 染等问题的基础上，矿井采空区充填不仅实现固体垃圾的无害化处理，还同时避免了矿井 采空区的危害。 图1 ．4 采空区上部地表台阶式下沉 F i g ．1 ．4 S u r f ．a c es u b s i d e n c ea b o V ec o a I m i n eg o ba r e a 图1 ．5 采空区上部地表构筑物破坏性变形 F i g ．1 ．5 D e s t r u c t i V ed e f ’0 r m a t i o no fs t r u c t u r e sa b o V ec o a I m i n eg o ba r e a 1 ．1 ．2 研究意义 对城市固体垃圾的处理，无论是采用焚烧法、堆肥法、还是地面浅填埋法，都会对周 边的生态环境造成较大的负面影响。然而城市固体垃圾井下充填，在合理处理渗滤液的基 础上，实现了垃圾无害化处理，解决了地面垃圾处理带来的一系列生态环境问题。同时现 行煤矿大多都采用自然垮落法处理采空区，这给煤矿高效安全生产带来了极大的安全生产 ．4 ． 万方数据 辽宁工程技术大学硕士学位论文 隐患。未经合理处理的采空区积水、聚集瓦斯可能会造成对邻近采区产生透水、瓦斯涌出 等安全隐患。未经充填的采空区会引起上覆岩层剧烈的移动与变形，传至地面表现为地面 严重的塌陷，破坏了耕地，威胁了地面建筑物、构筑物的安全使用，造成了重大的经济损 失，影响了国民经济的快速发展。用城市固体垃圾充填采空区，每年可无害化处理大量的 城市固体垃圾。促进城市固体垃圾无害化处理与矿山采空区隐患治理这项两结合、两受益 的综合工程的实施，有助于社会经济的可持续协调发展，是一项具重大现实意义的绿色开 采工程。 本文从垃圾充填体压缩及其固化理论和技术、固化后垃圾充填体的强度理论作为主要 研究内容，在有效控制地表沉陷、减轻建筑物损坏的基础上，实现了城市固体垃圾无害化 处理，实现煤炭资源的绿色开采。 1 ．2 国内外研究现状 1 ．2 ．1充填开采技术研究现状 1 废弃物干式充填 在1 9 4 0 年以前，为了实现对矿井开采产生的副产品一废石和其他工业废弃物的安全 无害处理，开始了充填开采技术在金属矿山的应用研究‘2 0 】【2 。当时运用充填开采技术的典 型矿井有澳大利亚北莱尔矿和加拿大生产磁黄铁的霍恩矿。北莱尔矿和霍恩矿的具体充填 材料分别为废弃矸石和工业废弃物炉渣，其初始目的仅仅是为了解决废石和工业炉渣占用 土地资源的问题，并没有深入考虑充填采空区对上覆岩层移动控制以及对地表移动变形的 控制作用。 我国对充填技术的初始研究相对滞后于欧美发达国家1 0 年左右，其初始目的与国外相 仿，也仅仅是为了转移固体废物的存放地点。因金属矿山相比于煤矿，固体废弃物产生量 远大于煤矿，故当时充填技术应用的主要对象为金属矿山。随着相关学者对其进行了深入 研究，充填技术日趋成熟。充填回采曾一度成为金属矿山的主要开采方式之一。但是由于 其很多技术难题仍未攻破，造成其开采方式工人劳动强度大，生产能力低下，到1 9 6 0 年 充填回采的开采方式慢慢的被淘汰了。这种以处理固体废弃物为目的的充填开采技术，没 有对固体充填材料的物理力学性质以及充填入采空区之后的充填效果、对上覆岩层的控制 作用等进行深入研究。 2 水砂充填 随着工业的飞速发展，对矿产资源的需求量越来越大。国内外专家学者开始对充填开 采技术进行了更为细致的研究，以期在低强度工作条件下实现较高的生产能力。欧美发达 ．‘． 万方数据 辽宁工程技术大学硕士学位论文 国家率先成功研发了水砂充填技术【2 2 】【2 3 1 ，其显著特点是利用水的流动性作动力，将充填骨 料运送至采空区进行充填。水砂充填技术是充填开采史上的一次技术革新，减低了工作强 度，提高了矿山的生产能力。加拿大和澳大利亚部分矿山采用了水砂充填技术，获得了比 较良好的反馈。至此，充填开采正式成为了矿山开采中重要部分。要设计出完备成熟的充 填工艺，就必须对充填材料的物理及力学性质有深入的了解及掌握。采矿学者们【l1 1 6 】采用 了一系列的手段，如理论分析、实验测试等，进行了分析测试，在这一阶段中，通常借助 水的力量将尾矿等固体物料带入井下采空区进行充填，所以要求充填物料的输送浓度要 低，通常在6 0 ％～7 0 ％左右，所以必须在采场进行大量脱水作业，这大大影响了充填的效率。 从上世纪6 0 年代开始，我国金属矿山在学习国外水砂充填技术的基础上逐步采用水 砂充填工艺，锡矿山南矿于1 9 6 5 年首次采用尾矿砂水力充填技术对采空区进行充填，将 充填体作为主要承载体支撑上覆岩层，从而解决了该矿在生产过程中由于发生的顶板岩层 大面积垮落造成的地压和地面沉陷问题；湘潭锰矿于1 9 6 0 年为防止尾矿自燃发火，采用 碎石水力充填工艺，有效防止矿井火灾；到7 0 ～8 0 年代，在国内已经有6 0 余座金属矿山 广泛采用水砂充填工艺，并取得了良好的经济与社会效益。 3 胶结充填技术 上世纪6 0 ～7 0 年代，由于非胶结充填体材料没有自立能力，强度低，且回采率较低， 贫化率较高，因而在水砂充填工艺在较大范围内推广应用后，国内外大多数矿山开始研发 并大范围应用尾矿胶结充填技术‘2 4 】【2 5 】。这个时期最具代表性的是澳大利亚的芒特艾萨矿， 该矿于6 0 年代将尾矿胶结充填工艺应用于回采底柱的过程中，其水泥等辅助料添加量为 1 2 ％。 2 0 世纪8 0 年代末期，我国开始在广东凡口铅锌矿和金川有色金属公司进行试验研究， 并用于工业生产。从此全尾砂胶结充填技术在全国范围内得到广泛应用【2 6 之引。这一阶段开 始关注充填料的性质及其对充填体性能的影响【2 9 3 1 1 、充填料与围岩的相互作用【3 2 州】、充填 体的稳定性‘3 5 3 7 1 和矿山充填胶凝材料【3 0 1 等内容的研究。全尾砂胶结充填技术的成功应 用，解决了许多矿山充填料不足的问题，而且有效地避免环境污染，大大减少尾矿库筑坝 费用。但该工艺受胶结材料的性能等影响而复杂多样，尤其是高浓度全尾砂工艺涉及尾砂 的脱水问题，工艺复杂，运行成本较高。 4 现代充填技术 近3 0 年以来，随着政府及相关学者对大规模煤炭开采引起的资源与环境问题的重视 程度加大，充填开采技术与工艺的发展不仅仅要适应高产量与低成本的要求，更重要的是 能够与环境相容，实现煤炭资源绿色开采【4 1 】【4 2 J ，逐渐形成了以张吉雄【4 3 】【4 4 1 教授提出的矸石 等固体废弃物密实充填开采技术、周华强【4 5 儿4 6 】教授提出的膏体或似膏体充填开采技术、高 ．6 ． 万方数据 辽宁工程技术大学硕士学位论文 水材料充填开采技术等为代表的现代新型充填采矿技术体系，均得到了较大规模的推广应 用。 1 ．2 ．2 充填材料研究现状 开发与研制新型充填胶结材料[ 4 7 】[ 4 8 1 ，提高充填体质量，降低充填成本，是矿山充填开 采技术能够得到全面发展的基础。开发价格低、来源广、使用方便、且能满足充填体强度 要求的充填材料是世界各国矿山充填开采技术发展与努力的方向。前述可知，随着充填技 术及材料科学的发展，充填材料经历了一个不断发展与完善的过程。从一开始的各种水泥 到各种工业废料替代部分水泥，再到采用一些新型材料来完全替代水泥【4 9 1 。下面就几种能 完全替代水泥的材料进行说明。 1 赤泥胶凝材料 赤泥是生产氧化铝过程中排出的工业废渣【5 0 】【5 l 】。烧结法赤泥含有与硅酸盐水泥相同的 S i 0 2 、F e 2 0 3 、A 1 2 0 3 与C a 0 等组分，占总量的7 5 ％以上，从S i 0 2 一A 1 2 0 3 一C a o 相图看， 接近水泥组成，因此其具有一定的水泥特性。这些特性通过化学手段进行调理后，可使其 相关} 生能得到大幅度提高。潘志华【5 2 】等采用添加剂方法制成赤泥水泥。通过对赤泥进行化 学改性后使赤泥中原存在的自由水转变为结晶与胶凝水，最终使其凝结硬化。这些特性使 其成为矿山充填胶结材料成为可能。 以赤泥作为充填料具有许多优点。首先，它比表面积大，保水性能好，料浆不脱水浓 度低，且由于含有大量黏粒及胶粒，料浆稳定性好，其全尾砂料浆在流动性很好的低浓度 条件下可保证料浆的稳定性，料浆不产生离析，充入采场具有很好的流平性，有利于充填 工作面的充填接顶。其次，赤泥水泥各龄期强度等各指标与普通硅酸盐水泥相当。 赤泥胶结充填材料用于矿山充填时，显示出许多优点，将其用于采空区充填时，可大 幅度降低矿山充填成本。但目前存在的主要问题是受生产限制，材料少，运输成本高，制 约其推广应用。 2 矿渣胶凝材料 各种矿渣也是一类具有较好化学特性的可用于采空区充填的物质‘5 3 1 。将其作为充填材 料，己被多数矿山接受，其中包括粉煤灰等。如高炉水淬渣是高炉炼铁过程中铁矿石中的 S i O z 和A 1 2 0 3 等杂质与石灰等熔剂化合而成的。虽然国内各个地区的水淬渣的组成略有不 同，但组成中一般都有S i 0 2 、A 1 2 0 3 、F e 2 0 3 、C a o 和M g o 等。高性能水淬渣胶凝材料主 要以粒化高炉矿渣为原料，外加复合剂，经粉磨而形成一种胶凝材料，形态与普通水泥类 似，呈粉末状。 万方数据 辽宁工程技术大学硕士学位论文 韩克峰【5 4 】用高炉水渣细磨代替部分水泥用于全尾砂胶结充填取得成功。与普通水泥相 比，在取得相同或相近充填效果时，充填成本可大大降低，具有明显的经济优势。 3 高水固化材料作胶凝材料 高水固化材料是另一类胶结材料，它可分为高铝、硫铝和铁铝等几种类型【5 引。材料由 主要成分 三种类型 外加一定比例的石灰、石膏、缓凝剂、速凝剂、悬浮剂等组成。高 水固化材料由甲、乙两种材料混合而成。其反应机理是当甲乙料混合后会在一定的时间内 形成大量钙矾石，同时一些凝胶体充填在钙矾石的骨架中，形成固结体。高水固化材料固 水能力较强，单浆流动性较好