基于固体废弃物的矿井充填胶固粉性能研究.pdf

分类号分类号 X936X936 密密 级级 公公 开开 U D CU D C 单位代码单位代码 104210424 4 学学 位位 论论 文文 基于固体废弃物的矿井充填基于固体废弃物的矿井充填 胶固粉性能研究胶固粉性能研究 陈陈 洪洪 涛涛 申请学位级别申请学位级别硕士学位硕士学位 专业专业名名称称 安全工程安全工程 指导教师姓名指导教师姓名鹿鹿 广广 利利 职职 称称 副副 教教 授授 山山 东东 科科 技技 大大 学学 二○一七年六月二○一七年六月 万方数据 论文题目论文题目 基于固体废弃物的矿井充填基于固体废弃物的矿井充填 胶固粉性能研究胶固粉性能研究 作者姓名作者姓名陈陈 洪洪 涛涛 入学时间入学时间 2014 年年 9 月月 专业名称专业名称安全工程安全工程 研究方向研究方向 灾害预测与防治灾害预测与防治 指导教师指导教师鹿鹿 广广 利利 职职 称称 副副 教教 授授 王王 思思 法法 高级工程师高级工程师 论文提交日期论文提交日期2017 年年 6 月月 论文答辩日期论文答辩日期2017 年年 6 月月 授予学位日期授予学位日期 万方数据 STUDY OF MINE FILLING GLUE POWDER PERANCE BASED ON THE SOLID WASTE A Dissertation ted in fulfillment of the requirements of the degree of MASTER OF PHILOSOPHY from Shandong University of Science and Technology by Chen Hongtao Supervisor Associate Professor Lu Guangli College of Mining and Safety Engineering June 2017 万方数据 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除所列参考文献和世所本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除所列参考文献和世所公公 认的文献外，全部是本人攻读学位期间在导师指导下的研究成果。除文中已经认的文献外，全部是本人攻读学位期间在导师指导下的研究成果。除文中已经 标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研 究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 硕士生签名硕士生签名 日日 期期 万方数据 学位论文使用授权声明学位论文使用授权声明 本人完全了解山东科技大学有关保留、使用学位论文的规定，同意本人所本人完全了解山东科技大学有关保留、使用学位论文的规定，同意本人所 撰写的学位论文的使用授权按照学校的管理规定处理。撰写的学位论文的使用授权按照学校的管理规定处理。 作为申请学位的条件之一，作为申请学位的条件之一，学校有权保留学位论文并向国家有关部门或其学校有权保留学位论文并向国家有关部门或其 指定机构送交论文的电子版和纸质版；有权将学位论文的全部或部分内容编入指定机构送交论文的电子版和纸质版；有权将学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库发表，并可以以电子、网络及其他数字媒体形式公开出版；允许学有关数据库发表，并可以以电子、网络及其他数字媒体形式公开出版；允许学 校档案馆和图书馆保留学位论文的纸质版和电子版，可以使用影印、缩印或扫校档案馆和图书馆保留学位论文的纸质版和电子版，可以使用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文；为教学和科研目的，学校档案馆和图书馆描等复制手段保存和汇编学位论文；为教学和科研目的，学校档案馆和图书馆 可以将公开的学位论文作为资料在档案馆、图书馆等可以将公开的学位论文作为资料在档案馆、图书馆等厂厂所或在校园网上供校内所或在校园网上供校内 师生阅读、浏览。师生阅读、浏览。 （保密的学位论文在解密后适用本授权）（保密的学位论文在解密后适用本授权） 硕士生签名硕士生签名 导师导师签名签名 日日 期期 日日 期期 万方数据 学位论文审查认定书学位论文审查认定书 研究生研究生 在规定的学习年限内， 按照培养方案及个人培养计划，在规定的学习年限内， 按照培养方案及个人培养计划， 完成了课程学习，成绩合格，修满规定学分；在我的指导下完成本学位论文，完成了课程学习，成绩合格，修满规定学分；在我的指导下完成本学位论文， 论文中的观点、数据、表述和结构为我所认同，论文撰写格式符合学校的相关论文中的观点、数据、表述和结构为我所认同，论文撰写格式符合学校的相关 规定，同意将本论文作为申请学位论文。规定，同意将本论文作为申请学位论文。 导师签名导师签名 日日 期期 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 摘要 I 摘摘 要要 随着我国经济的发展，对煤炭资源的开采程度逐渐提高，建筑物下、铁路 下、水体下和承压水上的压煤的开采成为我国煤矿面临的亟需解决的问题。煤 炭充填开采能够有效的解决压煤现状，充填专用胶结料作为采矿充填法的主要 环节之一，在矿井充填开采工艺中占据了重要地位。目前诸多煤矿类企业在创 造大量经济效益的同时也产生了大量工业固废物，如盐泥、芒硝、电石渣和粉 煤灰等。以委托此项目公司为例，公司每年固体废弃物产量为盐泥 500t/年， 电石渣 40 万 t/年，芒硝 22000t/年，粉煤灰 14 万 t/年。可见，公司每年的工业 固体废弃物数量庞大，根据电石渣、盐泥、粉煤灰等工业废弃物的化学成分以 及矿物成分看出，他们是重要的资源性的原料，再生利用价值较大。因此把这 些固体废弃物作为矿用胶凝材料的生产原料。 本文进行了对胶凝材料 XRD 测试以及图谱分析、对胶凝材料 SEM 测试以 及图片分析、对胶凝材料化学结合水量测定、对胶凝材料凝结时间的测试、对 胶凝材料力学性能的测定、对胶凝材料 CaOH2含量的测定等一系列工作，旨 在从更有效的利用资源角度出发研究胶凝材料的配合比设计。为了充分激发粉 煤灰、电石渣、石粉等工业废弃物的活性，借助 X 射线衍射仪（XRD）和扫描 电镜（SEM）等高精度仪器，分析了不同材料、不同掺量制成的胶凝材料的物 相组成和微观结构，并利用凝结时间、抗压强度、化学结合水量和 CaOH2含 量等实验参数，从定量和定性两个方面表征了不同材料单一及复掺对胶凝材料 性能的不同影响， 提高矿用胶凝材料的实用性能， 完成了胶凝材料配合比设计。 实验所得结论粉煤灰定量实验表明在凝结时间方面，随着粉煤灰掺量增 加凝结时间变长；在同一龄期的条件下 30粉煤灰掺量组的抗压强度与其他掺 量组相比最大；化学结合水的量最多，能够生成更多的水化产物；SEM 测试表 明，添加 30的粉煤灰矿用充填胶固粉的微观形貌更加密实。石膏实验结果 4掺量的石膏对粉煤灰基胶固粉的促进效果最好，该胶凝材料的 3d 和 28d 抗 压强度相比未添加石膏的胶固粉分别提高了 23.8、 25.2； 随石膏掺量的增大， 凝结时间随之增大； 掺加 4石膏后胶固粉的水化产物量和其他相比组显然增大； 加入 4石膏的胶固粉具有更加密实的微观形。钢渣的实验结果钢渣掺量的变 化对胶固粉性能影响显著；在相同龄期下，掺量 4钢渣的胶凝材料能够生成更 多的水化产物，且微观结构更加致密，抗压强度最大。电石渣实验结果在凝 结时间方面，电石渣掺量的增大，凝结时间随之降低；在抗压强度方面，1掺 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 摘要 II 量的电石渣组相比较其他掺量组使胶凝材料的强度最大；能够生成更多的水化 产物；通过 SEM 观测表明，胶凝材料的微观结构更为密实。 关键词关键词充填开采；固废物；胶凝材料；掺合料；配合比；微观结 构 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 摘要 III ABSTRACT With the development of our countrys economy, the exploitation of coal resources has gradually increased. The exploitation of coal under buildings, under the railway, under the water and confined water has become an urgent problem for our coal mine. Coal filling mining can effectively solve the present situation of coal pressing. As a main part of mining filling , filling special cementation material occupies an important position in the mine filling mining process. At present, many coal mines have created a large amount of industrial solid waste, such as salt sludge, mirabilite, carbide slag and fly ash. The companys annual solid waste production is Salt mud 500t/year, carbide slag 400,000t/ year, mirabilite 22000t/year, fly ash 140,000t/year. Therefore, industrial solid waste each year to see a huge number, according to the chemical composition of carbide slag, salt mud, fly ash and other industrial wastes as well as the mineral composition, they are the important resources of raw materials, recycling of great value. Therefore, these solid wastes are used as the raw materials for the production of cementitious materials used in mine. This paper has carried on the cementitious material XRD test and atlas analysis, SEM test of cementitious materials and picture analysis, content determination, combination of cementitious materials, setting time test on mechanical properties of cementitious materials, the determination of cementitious materials on chemical cementitious materials CaOH2 content determination a series of work, From the point of view of more efficient use of resources, the design of the mix proportion of cementitious materials was studied. In order to fully stimulate the fly ash, carbide slag, powder and other industrial wastes activity, With the help of X ray diffraction XRD and scanning electron microscopy SEM, the phase composition and microstructure of cementitious materials with different materials and different contents were analyzed, The experimental parameters such as setting time, compressive strength, chemical combined water content and CaOH2 content were used, The different effects of different materials and different dosage on the properties of cementitious materials were characterized in two aspects quantitative and qualitative. The experimental results show that the coagulation time increases with the increase of fly ash content; Under the condition of the same age, the compressive strength of the 30 fly ash dosage group was higher 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 摘要 IV than that of other groups; The chemical bound water is the most abundant, which can produce more hydration products; The results of SEM test showed that the micro morphology of the cemented filling powder with 30 fly ash was more dense. The experimental results of gypsum 4 the effect of gypsum on fly ash based cement powder is the best, and the 3d and 28d compressive strength of the cementitious material is increased by 23.8. the setting time increased, and the amount of hydration products of the cement powder after adding 4 gypsum increased obviously compared with other groups; The addition of 4 gypsum powder has a more compact microstructure. The experimental results of steel slag steel slag to change glue powder perance; in the same age, the admixture of 4 steel slag cementitious materials can generate more hydration products, and the micro structure is more compact, the maximum compressive strength. Carbideslag results in the setting time, increasing carbide slag content, the setting time decreased; the compressive strength, carbide slag dosage group 1 compared to other dosage group to maximize the strength of the cement; can generate more hydration products; through the SEM observation shows that the microstructure of cementitious materials is more dense. KeywordsFilling mining; Solid waste; Cementitious material; Admixture; Mixture ratio; Microstructure 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 目录 V 目目 录录 1 绪论绪论 ........................................................................................................ 1 1.1 研究背景和意义 .................................................................................................... 1 1.2 国外膏体充填技术发展现状 ................................................................................ 5 1.3 国内膏体充填技术发展现状 ................................................................................ 5 1.4 研究内容及技术路线 ............................................................................................ 7 2 粉煤灰对胶固粉粉煤灰对胶固粉的的性能性能影响影响 .............................................................. 10 2.1 实验材料及方法 .................................................................................................. 10 2.2 粉煤灰对凝结时间的影响 .................................................................................. 11 2.3 粉煤灰对抗压强度的影响 .................................................................................. 12 2.4 掺入粉煤灰化学结合水的量 .............................................................................. 12 2.5 胶固粉 SEM 分析 ................................................................................................ 13 2.6 胶固粉 XRD 分析 ................................................................................................ 14 2.7 本章小结 .............................................................................................................. 15 3 胶固粉掺入电石渣的性能变化胶固粉掺入电石渣的性能变化 ......................................................... 17 3.1 实验材料及方法 .................................................................................................. 17 3.2 凝结时间的变化 .................................................................................................. 18 3.3 抗压强度的变化 .................................................................................................. 19 3.4 化学结合水量的变化 .......................................................................................... 19 3.5 胶固粉 SEM 分析 ................................................................................................ 20 3.6 胶固粉 XRD 分析 ................................................................................................ 21 3.7 本章小结 .............................................................................................................. 23 4 钢渣对胶固粉的性能钢渣对胶固粉的性能影响影响研究研究 ......................................................... 24 4.1 实验材料及方法 .................................................................................................. 24 4.2 钢渣对凝结时间的影响 ...................................................................................... 25 4.3 钢渣对抗压强度的影响 ...................................................................................... 26 4.4 化学结合水量的变化 .......................................................................................... 26 4.5 钢渣对 CaOH2量的影响 ................................................................................... 27 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 目录 VI 4.6 胶固粉 SEM 分析 ................................................................................................ 28 4.7 胶固粉 XRD 分析 ................................................................................................ 29 4.8 本章小结 .............................................................................................................. 30 5 脱硫石膏对胶固粉的影响脱硫石膏对胶固粉的影响.................................................................. 31 5.1 实验材料及方法 .................................................................................................. 31 5.2 脱硫石膏对凝结时间的影响 .............................................................................. 32 5.3 脱硫石膏对抗压强度的影响 .............................................................................. 33 5.4 脱硫石膏对化学结合水的影响 .......................................................................... 33 5.5 胶固粉 SEM 分析 ................................................................................................ 34 5.6 胶固粉 XRD 分析 ................................................................................................ 34 5.7 本章小结 .............................................................................................................. 36 6 胶固粉复掺四种固废物正交实验胶固粉复掺四种固废物正交实验 ..................................................... 37 6.1 正交实验材料及方法 .......................................................................................... 37 6.2 凝结时间的变化 .................................................................................................. 38 6.3 抗压强度的变化 .................................................................................................. 39 6.4 极差分析法 .......................................................................................................... 40 6.5 方差分析法 .......................................................................................................... 41 6.6 性能对比 .............................................................................................................. 42 7 结论与展望结论与展望 .......................................................................................... 45 7.1 胶固粉实验结论 .................................................................................................. 45 7.2 论文创新点 .......................................................................................................... 45 7.3 展望 ...................................................................................................................... 46 致致 谢谢 ......................................................................................................................... 47 参考文献参考文献 ..................................................................................................................... 48 攻读硕士期间主要成果攻读硕士期间主要成果 ............................................................................................. 51 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 目录 VII Contents 1 Introduction ............................................................................................... 1 1.1 The research background and meaning............................................................. 1 1.2 Foreign paste filling technology development present situation ...................... 5 1.3 Current situation of the development of domestic paste filling technology ..... 5 1.4 Research contents and technical route .............................................................. 7 2 Influence of fly ash on properties of cement ..................................... 10 2.1 Experimental materials and s .............................................................. 10 2.2 The influence of fly ash on setting time.......................................................... 11 2.3 Effect of fly ash on compressive strengt