粉煤灰充填材料的井下安全性研究.pdf

声明 本人郑重声明所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名簋丛盥日期21 』。．．笸 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括①学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；②学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； ③学校可允许学位论文被查阅或借阅；④学校可以学术交流为目的， 复制赠送和交换学位论文；⑤学校可以公布学位论文的全部或部分内 容 保密学位论文在解密后遵守此规定 。 签名望叠堡蚕 日期 翟厶臣 导师签名日期 丝然．冱 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 粉煤灰充填材料的井下安全性研究 摘要 我国煤矿主要采用井工长壁顶板垮落式开采方法，由此造成了岩层垮 落、土地塌陷、地下水资源和生态破坏，以及大量煤柱留置地下的严重问 题，尤其是“三下” 构筑物下、铁路下和水体下 压煤量日益增多。充填 开采是解决上述问题的有效方法，以电厂排放的粉煤灰、煤矿排出的煤矸 石和水泥为主要材料制成的粉煤灰膏体作为充填材料，造价低廉、来源丰 富，同时解决了大量排放煤矸石和粉煤灰占用土地、污染环境的问题，但 粉煤灰膏体充填在井下充填实施过程中存在发热现象，已实施的充填体在 凝结的过程中会形成孔隙对采空区的瓦斯气体进行吸附，充填体可能存在 重金属和放射性危害等安全问题，目前在国内尚且缺乏系统的试验研究。 文章通过对粉煤灰、煤矸石等材料的特性测定和材料配比试验选定了 粉煤灰膏体充填材料的优势配比；进而对粉煤灰膏体充填材料的水化放热 特性、瓦斯吸附特性和环境污染性及人体伤害性进行了试验研究。得出以 下结论 1 运用相关仪器设备对粉煤灰和煤矸石的粒度、矿物组成、化学组成 和微观形貌等原材料特性进行了测试分析，测得所用粉煤灰为活性较低的 低钙等外灰，煤矸石为粘土类矸石，但两者可结合用作配制粉煤灰充填材 料；通过正交材料配比试验选定水泥粉煤灰煤矸石为1 3 5 ，固体质量 分数为7 8 ％或8 0 ％，并加入适量激发剂和添加剂的配比为粉煤灰膏体充填 材料的优势配比。 1 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 运用T A MA i r 等温微量热仪对充填材料的水化放热特性进行了试验 研究，测试分析了不同配比充填材料的水化热及放热速率，粉煤灰膏体充 填材料水化放热速率明显表现出起始、诱导、加速、快速降速、缓慢降速 和稳定等6 个阶段；随粉煤灰和煤矸石掺量的增加，水化诱导和加速阶段 时间延长、但放热速率和水化热降低；在所测材料配比范围内，水胶比对 水化放热速率无明显影响，而添加剂仅加速了水化诱导阶段的水化放热速 率。基于测试结果，在不考虑与外界热交换的理想条件下，计算出纯水泥、 水泥粉煤灰 1 3 添加剂和水泥粉煤灰煤矸石 1 3 5 添加剂等3 种材料充 填体7 d 温度升高的理论预测值分别为6 9 ℃，2 2 ．9 ℃和l O ℃。 3 运用3 H ．2 0 0 0 P H D 系列全自动高压气体吸附分析仪对充填材料的瓦 斯吸附特性进行了试验研究，测试了粉煤灰充填材料的瓦斯吸附能力，得 到在水化胶凝的过程中该材料具有瓦斯吸附性能；这种吸附特性在养护5 d 时间内表现最为明显，5 d 之后对瓦斯吸附的能力逐步饱和；在2 M p a 瓦斯 吸附压力范围内，充填体对瓦斯的吸附量会随着吸附压力的增加表现出接 近线性增长的规律。1 3 5 X 配比的试件养护1 4 d 在吸附压力为2 M p a 时的 吸附量为1 ．2 7 5 4m l g 一，1 4 5 X 配比的试件养护1 4 d 在吸附压力为2 M p a 时的吸附量为1 ．3 0 4 8m l g ．1 ．粉煤灰掺量的增加对提高充填材料5 d 内的瓦 斯吸附量有增强作用，但对1 4 d 以后的瓦斯吸附能力有限制作用。 4 总结分析了粉煤灰和煤矸石对环境的污染及对人体的伤害性。粉煤 灰和煤矸石中含有大量有毒有害的重金属元素和若干具有天然放射性的元 素，有害物质会通过风化和渗滤作用对大气、土壤和水体造成污染，其中 铜、锌、铅、镉、铬、镍、钻、砷和汞等微量有害元素，通过渗滤作用和 2 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 土壤、生物富集作用间接影响人体后会对人体造成伤害和严重疾病。粉煤 灰和煤矸石中含有的天然放射性元素主要包括2 3 8 U 、2 3 2 T 1 ．, j , 、2 2 6 R a 和4 0 K ， 他们不仅会直接对动植物和人体造成辐射伤害，还会通过渗滤作用渗入地 下水，从而对人类健康产生影响。 关键词粉煤灰膏体充填材料，水化放热特性，瓦斯吸附特性，环境污染 3 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 4 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 S A F T YS T U D YO NF L yA S HF I L L I N GN 丛T E R I A I ，SU S E D I NT H EC O A LM ⅡN E A BS T R A C T C o a lm i n ei no u rc o u n t r ym a i n l yu s e sw e l1f o r e m a nw a l lr o o fc a v i n g m i n i n gm e t h o d ，r e s u l t i n g i ns t r a t a c o l l a p s e ，l a n ds u b s i d e n c e ，g r o u n d w a t e r r e s o u r c e sa n de c o l o g i c a ld e s t r u c t i o n ，a sw e l la sal a r g en u m b e ro fc o a lp i l l a r u n d e r g r o u n di n d w e l l i n gs e r i o u sp r o b l e m s ，e s p e c i a l l yt h e ”t h r e eu n d e r ” u n d e r b u i l d i n g s ，r a i l w a y s ，w a t e rb o d i e s p r e s s u r ec o a li si n c r e a s i n g ．F i l l i n gm i n i n g m e t h o di sae f f e c t i v em e t h o dt os o l v et h ea b o v ep r o b l e m s ，t h ef l ya s hp a s t e f i l l i n gm a t e r i a lt h a tm a k eo ff l ya s hd i s c h a r g e db yt h ep o w e rp l a n t ，c o a l g a n g u e d i s c h a r g e db yc o a lm i n ea n dc e m e n t ，n o to n l yh a st h ea d v a n t a g e so fl o wc o s ta n d r i c hs o u r c e s ，b u ta l s os o l v e dt h ee n v i r o m e n tp o l l u t i o na n dl a n dp c c u p i e dp r o b l e m c a u s e db yal a r g en u m b e ro fc o a l g a n g u ea n df l y a s he m i s s i o n s ．H o w e v e r ，t h ef l y a s hp a s t ef i l l i n gm a t e r i a le x i s t st h ep r e s e n c eo ff e v e rp h e n o m e n e n ，a d s o r p t i o no f g o a fg a s ，h e a v ym e t a l s a n dr a d i o a c t i v eh a r ms e c u r i t yp r o b l e mi nt h ef i l l i n g p r o c e s s ，a n dt h i sp r o b l e m ss t i l l l a c ko fs y s t e m a t i ce x p e r i m e n t a ls t u d yi no u r c o u n t r ya tp r e s e n t ． T h i sp a p e rg e tt h ea d v a n t a g er a t i of l y a s hp a s t ef i l l i n gm a t e r i a lb a s e do nt h e r a wm a t e r i a lc h a r a c t e r i s t i c e x p e r i m e n t o f f l y a s h a n d c o a l g a n g u e a n d 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 p r o p o r t i o n i n go p t i m i z a t i o ne x p e r i m e n t ，t e s t e da n da n a l y s i s e dt h ec h a r a c t e r i s t i c o f f i l l i n g m a t e r i a l h y d r a t i o n h e a ta n d f i l l i n g m a t e r i a l g a sa d s o r p t i o n ， s u m m a r i z e da n da n a l y z e dt h ee n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o na n dt h eh a r mt ot h e h u m a n b o d yo ff l ya s ha n dc o a lg a n g u e ．G e tt h ef o l l o w i n gc o n c l u s i o n s 1 T e s t e da n da n a l y s i s e dt h ep a r t i c l es i z e ，m i n e r a lc o m p o s i t o n ，c h e m i c a l c o m p o s i t i o n a n dm i c r o s t r u c t u r eo f f l y a s ha n dc o a l g a n g u e ，g e a i n gt h e c o n c l u s i o n st h a tt h et e s t e df l ya s hi so f fg a r d eb e c a u s eo fi t sl o wc a l c i u ma n d l o wa c t i v i t y , t h et e s t e dc o a lg a n g u ei sak i n do fc l a yr o c k ，t h ec o m b i t i o no ft h i s t w ok i n d so fm a t e r i a lc a nb eu s e df o rp r e p a r a t i o no ff l ya s hf i l l i n gm a t e r i a l ； a c c o r d i n ga l lo r t h o g o n a lm a t e r i a lp r o p o r t i o n i n gt e s t ，s e l e c t e dc e m e n t F l yA s h c o a l g a n g u e 2 1 3 5 ，s o l i dm a s sf r a c t i o no f7 8 ％o r8 0 ％，a n da d dt h ea p p r o p r i a t e a m o u n to fa c t i v a t o ra n da d d i t i v er a t i oi st h ea d v a n t a g er a t i oo ff l ya s hp a s t e f i l l i n gm a t e r i a l ． 2 T e s t e dt h ec h a r a c t e r i s t i co ff i l l i n gm a t e r i a lh y d r a t i o nh e a tw i t hT A M A i r i s o t h e r m a lm i c r o c a l o r i m e t e r ．T e s t e da n da n a l y s i s e dt h e h y d r a t i o nh e a ta n d h y d r a t i o nh e a tf l o wo fd i f f e r e n tp r o p o r t i o n sf i l l i n gm a t e r i a l s ，t h eh e a tf l o wo ff l y a s hp a s t e - f i l l i n gm a t e r i a lo b v i o u s l ys h o w ss i xp h a s e so fi n i t i a t i o n ，i n d u c t i o n ， a c c e l e r a t i o n ，q u i c k l yd e c e l e r a t i o n ，s l o w d e c e l e r a t i o na n d s t e a d y ；W i t h t h e i n c o r p o r a t i o na n dt h ec o n t e n ti n c r e a s e so ff l ya s ha n dc o a lg a n g u e ，t h ed u r a t i o n o fi n d u c t i o na n da c c e l e r a t i o n p h a s e sa r ep r o lo n g e da n dt h eh e a tf l o wa n d h y d r a t i o nh e a t a r er e d u c e d ；W i t h i nt h e e x p e r i m e n tr a n g e ，t h ei n f l u e n c eo f w a t e r - b i n d e rr a t i oo nt h eh e a tf l o wi sn o to b v i o u s ，a n dt h ea d d i t i v eq u i c k e nt h e 6 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 h e a tf l o wo fi n d u c t i o np h a s e ．B a s e do nt h et e s tr e s u l t sa n dw i t h o u tc o n s i d e r i n g t h ec o n d i t i o n so fh e a t e x c h a n g e w i t ht h eo u t s i d e w o r l d ，a f t e r7d a y s ，t h e t e m p e r a t u r ei n c r e a s e so ff i l l i n gb o d yo fp u r ec e m e n t ，c e m e n t f l ya s h 1 3 a d d i t i v e sa n dc e m e n t F l y g a n g u e 1 3 5 a d d i t i v ea r e6 9 ℃．2 2 ．9 ℃a n d 1 0 ℃． 3 T e s t e d t h ec h a r a c t e r i s t i co f f i l l i n g m a t e r i a l g a sa d s o r p t i o n w i t h 3 H - 2 0 0 0 P H Ds e r i e sa u t o m a t i ch i g hp r e s s u r eg a ss o r p t i o na n a l y z e r ．T e s t e dt h e g a sa d s o r p t i o nc a p a c i t yo ff i l l i n gm a t e r i a l s ，c o n f i r m e dt h ef i l l i n gm a t e r i a li nt h e c o u r s eo ft h e h y d r a t i o n h a s g a sa d s o r p t i o np r o p e r t i e s ；t h i sa d s o r p t i o n c h a r a c t e r i s t i c so fi nt h ef i r s t5d a y sc u r i n gt i m ei sm o s to b v i o u s ，a f t e r5d a y st h e a b i l i t yo fg a sa d s o r p t i o ns a t u r a t e dg r a d u a l l y ；w i t h i n2 M p ag a sc o n f i n i n gp r e s s u r e r a n g e ，t h ea d s o r p t i o nc a p a c i t yo ff i l l i n gb o d ya l m o s ts h o w sl i n e a rg r o w t hl a w w i t ht h ei n c r e a s eo fg a sc o n f i n i n gp r e s s u r e ．T h eg a sa d s o r p t i o no f1 3 5 Xr a t i o s p e c i m e nw a s1 ．2 7 5 4m l g ‘1u n d e r2 M p ag a sc o n f i n i n gp r e s s u r ea f t e r14d a y s c u r i n gt i m e ；t h eg a sa d s o r p t i o no f1 4 5 Xr a t i os p e c i m e nw a s1 ．3 0 4 8m l 。g ‘1 u n d e r2 M p ag a sc o n f i n i n gp r e s s u r ea f t e r14d a y sc u r i n gt i m e ．I i m p r o v i n gt h e c o n t e n t i so ff l ya s hc a ni n c r e a s et h eg a sa d s o r p t i o na m o u n to ff i l l i n gm a t e r i a l s w i t h i n5d a y s ，b u ta f t e r14d a y si tw o u l dr e s t r i c tt h eg a sa d s o r p t i o nc a p a c i t y ． 4 1S u m m a r i z e da n da n a l y z e dt h ee n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o na n dt h eh a r mt o t h eh u m a nb o d yo ff l ya s ha n dc o a lg a n g u e ．F l ya s ha n dc o a lg a n g u ec o n t a i n s l a r g ea m o u n t so fn a t u r a lr a d i o a c t i v ee l e m e n t s ，h e a v ym e t a l sa n do t h e rh a r m f u l t r a c ee l e m e n t s ，t h i sh a r m f u ls u b s t a n c e s ，i n c l u d i n gc o p p e r ，z i n c ，l e a d ，c a d m i u m ， 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 c h r o m i u m ，n i c k e l ，c o b a l t ，a r s e n i ca n dm e r c u r ya n do t h e rt o x i ct r a c ee l e m e n t s ， w i l lc a u s ep o l l u t i o no fa i r , s o i la n dw a t e rt h r o u g hw e a t h e r i n ga n dp e r c o l a t i o n e f f e c t s ，a n dw i l li n d i r e c t l ya f f e c tt h eh u m a nb o d yc a u s i n gi n j u r ya n ds e r i o u s i l l n e s st h r o u g ht h ep e r c o l a t i o no fs o i la n db i o a c c u m u l a t i o n ．F l ya s ha n dc o a l g a n g u ec o n t a i n sn a t u r a lr a d i o a c t i v ee l e m e n t si n c l u d i n g2 3 8 U ，2 3 2 T h ，2 2 6 R aa n d 4 0 K ，t h e ya r en o to n l yad i r e c tr e s u l to fr a d i a t i o nd a m a g et op l a n t s ，a n i m a l sa n d h u m a n s ，b u ta l s ob yp e r c o l a t i o ni n t og r o u n d w a t e ra n du l t i m a t e l ya f f e c th u m a n h e a l t h ． K E YW O R D S f l ya s hp a s t ef i l l i n gm a t e r i a l ，t h ec h a r a c t e r i s t i co fh y d r a t i o n h e a t ，m i c r o c a l o r i m e t r i ct e s t ，t h ec h a r a c t e r i s t i co fg a sa b s o r p t i o n ．t h ep o l l u t i o no f t h ee c v i r o n m e n t ，t h eh u m a n b o d yd a m a g e 8 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 目录 第一章绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．1 选题背景及意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．1 ．1 煤炭资源的国内生产消费现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．1 。2 我国煤炭长壁垮落式开采中面临的主要问题⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。1 1 ．1 ．3 解决所面临问题的主要办法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 1 ．2 充填开采研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 ．2 ．1 充填开采发展历程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 1 ．2 ．2 煤矿充填开采发展历程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 1 ．3 粉煤灰膏体充填开采存在的主要问题⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 1 ．4 本文研究内容及其方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 1 ．4 ．1 研究的内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 1 ．4 ．2 研究方法及路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 第二章粉煤灰充填原材料的物化特性测试及配比试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯，l1 2 ．1 概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 2 ．2 粉煤灰的基本物化特性测试⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．11 2 ．2 ．1 粉煤灰的粒径分布⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 2 ．2 ．2 粉煤灰的矿物组成⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 2 ．2 ．3 粉煤灰的化学成分⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 2 ．2 ．4 粉煤灰的颗粒组成及微观形貌⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 2 ．3 煤矸石的基本物化特性测试⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 5 2 ．3 ，l 煤矸石的粒径分布⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 6 2 ．3 2 煤矸石的矿物组成⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 6 2 ．3 3 煤矸石的化学成分⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 6 2 ．3 ．4 煤矸石的微观形貌⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 7 2 ．4 硅酸盐水泥的矿物组成及化学成分⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 8 2 ．5 激发剂及外加剂⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．18 2 ．5 ．1 激发剂⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 8 2 ．5 ．2 添加剂⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 9 T 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 ．6 充填材料配比试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 0 2 ．6 ．1 材料组成⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 2 ．6 ．2 充填材料性能要求⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 2 ．6 ．3 试验仪器⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 2 2 ．6 ．4 试验方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 3 2 ．6 ．5 配比试验结果及分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 6 2 ．7 小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 9 第三章粉煤灰充填材料的放热特性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 1 3 ．1 概j 态⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．31 3 ．2 材料发热特性测试仪器和方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 1 3 ．2 ．1 测试仪器⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 3 ．2 ．2 测试方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 2 3 ．3 粉煤灰充填材料的放热测定试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 3 3 ．3 ．1 测试方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 3 3 ．3 ．2 测试结果和分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 3 3 ．4 粉煤灰充填材料的放热机理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 3 3 ．5 小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。4 4 第四章粉煤灰材料凝结过程中的瓦斯吸附特性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 7 4 ．1 概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 7 4 ．2 粉煤灰材料凝结过程中瓦斯吸附特性的测试仪器和方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 7 4 ．2 ．1 测试仪器⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 7 4 ．2 ．2 测试方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 7 4 ．3 粉煤灰充填材料凝结过程中瓦斯的吸收特性试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 8 4 ．3 ．1 测试方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 8 4 ．3 ．2 测试结果和分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 9 4 ．4 小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 4 第五章粉煤灰充填材料的环境污染性和人体伤害性研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 6 5 ．1 概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 6 5 ．2 粉煤灰充填材料对环境的污染性性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 6 5 ．2 ．1 粉煤灰对环境的污染性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 7 I I 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 5 ．2 ．2 煤矸石对环境的污染性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 8 5 ．3 粉煤灰充填材料对动植物和人体的伤害性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 9 5 ．3 ．1 自然放射性元素对人体的伤害性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 9 5 ．3 ．2 常见重金属等微量有害元素对动植物和人体的伤害性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 0 5 ．4 小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 2 第六章结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 4 6 ．1 主要结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 4 6 ．2 不足与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 6 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 8 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 2 攻读硕士期间发表的学术论文⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 4 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 I V 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 。1 选题背景及意义 第一章绪论 1 ．1 ．1 煤炭资源的国内生产消费现状 能源是现代社会和经济发展不可或缺的动力来源，是关系国防、电力、钢铁、化工 和民用等众多行业和领域的重要内容。煤、石油和天然气是我国最重要的化石能源，但 我国是一个“富煤、贫油、少气”的国家，因此煤炭一直以来都处于我国一次性能源的 主导地位，而且短期将不会发生改变【1 ] 。 在煤炭储量和煤炭生产方面我国已探明的煤炭储量位居世界第三【2 】 表1 ．1 ，煤 炭产量位居世界第一，占世界煤炭产量的3 5 ％以上；在煤炭消费方面我国的煤炭消费 位居世界第一，作为我国主要的能源和重要原料，煤炭在一次能源生产及消费消费中占 五成以上。 表1 - 1 我国煤炭探明储量在世界煤炭中所占的位置 20 10 年 T a b l e1 - 1R a n k i n go f C h i n ai nC o a lV e r i f i e dR e s e r v e s 2 0 1 0 近年来，随着我国清洁能源和能源改革步伐的推进及环境保护和空气污染的防治工 作的开展，我国煤炭开采和部分涉煤在一定程度山收到了限制，使得煤炭的消费比重在 我国呈现出下降趋势，但煤炭消费水平在总能源消费中的比重始终保持在6 0 ％以上，据 中国能源可持续发展战略与要点知在今后相当长时间内，煤炭依然是我国的主要 能源，预计到2 0 2 0 年，煤在一次能源中的占比仍高达6 0 ％，煤为基础仍是中国能源供 给的基本格局吼 1 ．1 ．2 我国煤炭长壁垮落式开采中面临的主要问题 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 我国的煤炭资源丰富，存储量巨大，大小煤矿遍布全国各地。但随着近几十年我国 煤炭开采量的增加和煤炭开采技术的发展，很多长壁垮落式煤炭开采中的问题都呈现在 我们眼前，亟待解决。 首先，是大量井工长壁垮落法开采带来较严重的生态破坏。随着当前社会经济的发 展和技术的提高，我过大部分煤矿都已实现综合机械化采煤，但为节约成本，提高煤炭 开采效率，采用井工长壁对煤炭开采后，对采空区顶板及上覆岩层大都采用直接垮落法 处理。这样的开采方式导致采空区上方地表大范围的塌陷沉降，直接导致了地面建筑物 破坏、河流断流、地下水位下降等严重问题，造成了严重的生态环境破坏，并且随着我 国煤炭开采的持续，煤炭开采范围和采空区范围将不断增加，其所导致的地表沉陷现象 与生态破坏问题将日益严重。如采空区上覆岩层的含水层被破坏造成水资源流失，地 下水位下降；采空区地表的土地塌陷及煤炭开采中排放的煤矸石堆放占用大量土地；采 空区上方的植被、农作物等由于土地塌陷等被破坏[ 4 ．6 ] 。 其次，我国“三下”压煤过多，急需解放。据有关统计调查，我国“三下”压煤量 巨大，其数量超过百亿吨。而且社会和经济的发展，某些村庄规模逐步扩大，公路、铁 路的铺设面积和范围也都逐步增大，这些都导致“三下”压煤日趋严重，亟待解决[ 6 ，7 】。 再次，煤炭资源的回收率不高，矿井的服务年限不长。我国煤矿开采中为控制采空 区地表沉陷和保证生产安全，在对煤炭开采中大都留设一定量的保护煤柱，这样就导致 了我国煤炭的回收率不高，大量压煤也导致矿井的生产服务年限缩短。 上述问题都成为制约我国煤炭事业发展所面临的难题，如何合理解决煤炭开采带来 的环境生态问题，如何科学解决日趋严重的