煤矸石膏体充填材料耐久性能研究.pdf

论文题目 煤矸石膏体充填材料耐久性能研究 作者姓名 专业名称 论文提交E l 期 论文答辩日期 授予学位日期 入学时间 研究方向 生巫境堡垃 ●■■■■■■■■●●●■■■●●■_ ●■■■■■●■■■■●■■●■■■■■■_ _ 一 职称 教授 2 垒曼量生鱼目 2 Q 羔量刍E 查旦 S T U D YO NT H ED U R A B L EP E R F O R M A N C EO FC O A L G A N G U EP A S T EF I L L I N GM A T E I U A L AD i s s e r t a t i o ns u b m i R e di nf u i F d 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 №～S T E RO FE N G I N E E l U N G 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 W a n gQ i f e 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 ga n dS a f e t yE n g i n e e r i n g J u n e2 0 1 5 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 M [ A T I o N 硕士生签名 日 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 W d 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 l l ym 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 r q u a H f i c a f i o n a ta n yo t h e ra c a d e m i c i n s t i t u t e ． S i g n a t u r e D a t e 士尸 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。本文针对煤矸石膏体充填材料在压荷载作用下 和所处环境因素作用下的耐久性能等方面展开了一系列理论与试验研究。 首先，理论分析了充填材料的选择原则以及膏体需要满足充填开采的标准，确定了 引用前人的水泥粉煤灰煤矸石l 4 6 ，质量浓度为7 4 ％作为本文制作试件的配比。 在满足充填要求的前提下，对骨料中大粒径颗粒所占比例进行了优化，得出当粒径为 1 5 - 2 5 m m 的粗骨料占到1 5 ％左右时，为最优比例。 其次，对充填体试件的蠕变性能进行了试验研究。充填体的单轴抗压强度平均值为 3 ．9 0 M P a ，通过对充填体试件进行4 h 短时蠕变试验并对试验结果进行分析，得出了充 填体试件的4 h 蠕变强度在3 ．6 8 4 ．2 4 M P a 之间，与单轴抗压强度相比得到流变系数在 0 ．9 4 1 ．0 9 之间。针对室内的充填体试件经过试验得到的蠕变强度 也称长期强度 大 于同批试件的单轴抗压强度的现象进行了理论及数据分析，得出蠕变试验中的充填体 试件受到的应力水平较低，试件受到压密时间较长，同时损伤较小；充填体试件在单轴 压缩试验中的应变极限平均为0 ．0 0 4 0 4 5 ，在蠕变试验下的应变极限为0 ．0 0 6 3 3 1 ，比单轴 试验中的应变极限提高了5 6 ％，从侧面证明了充填体试件在蠕变试验下可以通过增加 变形量来提高其自身的强度的理论。 最后，对充填体试件按照普通混凝土长期性能和耐久性能实验方法进行了抗渗 性、抗溶液侵蚀、热稳定性和抗冻融试验。试验结果表明充填体试件对碱有良好的抗 侵蚀性能，酸和盐对充填体试件初期强度影响较大；充填体的抗渗标号为P 6 ，抗渗等级 较弱；充填体试件在3 0 ℃、6 0 。C 的温度下，其单轴抗压强度略有上升，在9 0 ℃、1 2 0 ℃、 1 5 0 。C 的温度下，单轴抗压强度下降较为明显，热稳定性差；充填体试件经过2 5 次冻融 循环和5 0 次的冻融循环后，其重量损失为1 ．3 ％和3 ．0 ％，强度损失为1 4 ．6 ％和2 5 ．5 ％， 说明充填体的抗冻性能较差。 关键词膏体充填；充填体；骨料特性；短时蠕变；耐久性能； 山东科技大学硕士学位论文 A b s t T a c t 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 y , w h i c hh a sah i g hf i l l i n gr a t i o ，ah i g hs U e n g t h ，a s t e a d yp e r f o r m a n c eo fb a c k f i l lw 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 ．I na d d i t i o n ，i ti s a l l i m p o r t a n tp 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 ．T h i sa r t i c l eh a sas e r i e so ft h e o r e t i c a la n d e x p e r i m e n t a ls t u d i e so nd u r a b i l i t yw h e nt h ec o a lg a n g u ep a s t ef i l l i n gm a t e r i a li su n d e rt h e e f f e c to f p r e s s u r el o a da n de n v i r o n m e n t ． F i r s t l y , t h es e l e c 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 la n dt h es t a n d a r dt h a tp a s t en e e d s t o m e e tb a c k f i l lm i n i n gh a v e b e e na n a l y z e d ．I nt h i sp a p e r , c e m e n t ，f l ya s ha n dg a n g u ea tt h er a t i o o f1 4 6 ，7 4 ％c o n c e n t r a t i o ni sr e f e r e n c e df o rt h i st e s tt om a k es p e c i m e n s ．O nt h ec o n d i t i o no f m e e t i n gt h er e q u i r e m e n t so ff i l l i n g ，t h eo p t i m i z i n gp r o p o r t i o no fl a r g ed i a m e t e ri nc o a r s e a g g r e g a t i o nf i g u r e so u tt h a tt h eb e s ts c a l eo fc o a r s ea g g r e g a t i o ni sw h e ni td i a m e t e rs i z e d 15 - 2 5 m mt a k e st h ep r o p o r t i o no f15 ％． S e c o n d l y , b a c k f i l l i n gs p e c i m e n s ’c r e e pp r o p e r t yh a sb e e ns t u d i e d ．P a c kt h eu n i a x i a l c o m p r e s s i v es t r e n g t ho ft h ea v e r a g ei s3 ．9 0 M P a ．T h r o u g h4h o u r s ’c r e e pt e s ta n da n a l y z et h e r e s u l tw ek n o wt h a tc r e e ps t r e n g t hi s4 ．0 3 M P ao na v e r a g e ，c o m p a r e dw i t ht h eu n i a x i a l c o m p r e s s i v es t r e n g t h ，r h e o l o g i c a lc o e f f i c i e n t i s0 ．9 4t o1 ．0 9 ，T h a tt h ec r e e ps t r e n g t h 1 0 n g t e r ms t r e n g t h o fi n s i d eb a c k f i l l i n gs p e c i m e n s i s g r e a t e r t h a nt h o s eu n i a x i a l c o m p r e s s i v eh a sb e e nt h e o r e t i c a la n dd a t aa n a l y z e d ．T h r o u g ha n a l y s i so ft h e s e ，t h el o ws t r e s s l e v e lo fb a c k f i l l i n gs p e c i m e n si nt h e c r e e pt e s t ，t h e t i m et h a ts p e c i m e n sb e i n gu n d e r c o n s o l i d a t i o ni sl o n ga n ds m a l ld a m a g ec a u s e dc a nb ef i g u r e dO U t ．M o r e o v e r , t h ea v e r a g e s t r a i nl i m i to fb a c k f i l l i n gs p e c i m e n su n d e ru n i a x i a lc o m p r e s s i o ne x p e r i m e n ti s0 ．0 0 6 3 31 ， w h i c hi s 5 6 ％p e r c e n th i g h e rt h a nt h o s eu n d e rt m i a x i a lc o m p r e s s i o nt e s t ．T h i se x p e r i m e n t p r o v e st h a tb a c k f i l l i n gs p e c i m e n sC a ni m p r o v ei t s e l fs t r e n g t hb yi n c r e a s i n gt h ed e f o r m a t i o n f o r mV a r i a b l e s ． F i n a l l y , e x p e r i m e n t sb a s e do n o nb a c k f i l l i n gs p e c i m e n s ’t h ep e r m e a b i l i t yr e s i s t a n c e ，s o l u t i o ne r o s i o n r e s i s t a n c e ，t h e r m a ls t a b i l i t ya n df r e e z i n gr e s i s t a n c eh a v eb e e nd o n e ．T h es t u d yr e s u l ts h o w s t h a tf i l l i n gb o d ys p e c i m e nh a dg o o da l k a l ie r o s i o nr e s i s t a n c ew h i l ea c i da n ds a l th a dag r e a t e r 山东科技大学硕士学位论文 A b s t r a c t i n f l u e n c eo nt h ee a r l ys t r e n g t ho f f i l l i n gb o a ys p e c i m e n ；i m p e r m e a b i l i t yg r a d eo ff i l l i n gb o d y i sw e a kf o ri t sa n t i - p e r m e a b i l i t yl a b e lf o rP 6 ．T h ec o m p r e s s i v es t r e n g t hi n c r e a s e ds l i g h t l ya t 3 0 。C ，6 0 ℃，w h i l et h ec o m p r e s s i v es t r e n g t hd e c r e a s e dm o r eo b v i o u sa t9 0 ℃，1 2 0 。C ， 1 5 0 。C ；T h ea n t i f r e e z ep e r f o r m a n c e w a sp o o rf o rt h a tt h ew e i g h tl o s s1 ．3 ％a n d3 ．O ％a n d s t r e n g t hl o s s14 ．6 ％a n d2 5 ．5 ％a f t e r2 5a n d5 0t i m e so ff r e e z e - 也a wc y c l e ． K e yw o r d s p a s t ef i l l i n g ；b a c k f i l l i n g ；a g g r e g a t ec h a r a c t e r i s t i c s ；s h o r t t e r mc r e e p ；d u r a b l e p e r f o r m a n c e 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 论文主要研究内容和方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一9 2 煤矿膏体充填材料的选择及骨料特性研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。1 1 2 ．1 煤矿膏体充填材料选择及配比原则⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯11 2 ．2 粗骨料粒径对充填体性能的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 6 2 ．3 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 3 3 煤矸石膏体充填材料蠕变特性试验研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 4 3 ．1 煤矿矸石膏体充填开采对地表沉陷控制的作用机理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 4 3 ．2 煤矿矸石膏体充填体的单轴抗压强度特性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 7 3 ．3 煤矿矸石膏体充填体的短时蠕变试验及分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 l 3 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 8 4 煤矸石膏体充填材料在不同环境条件下的耐久性能研究．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 9 4 ．1 煤矸石膏体充填材料的抗渗透性能⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 9 4 ．2 煤矸石膏体充填材料的抗溶液侵蚀性能⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 1 4 ．3 煤矸石膏体充填材料的热稳定性能⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 6 4 ．4 煤矸石膏体充填材料的抗冻性能⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 8 4 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 0 5 结论及展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一6 1 5 ．1 论文主要结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 1 5 ．2 本文的创新性工作⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 2 5 ．3 有待于进一步研究的问题⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 3 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 4 攻读硕士学位期间主要科研成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 5 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。6 6 些查翌垫奎堂竺主兰垡笙苎．． 堕 C o n t e n t s II n t r o d u c t i o n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I 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 f s t u d ya th o m ea n da b r o a d ．．．．⋯．．．．．⋯．．．．．⋯．．．．．⋯．．．．⋯．．．．．．．．．．．⋯．．- ⋯⋯2 1 ．3R e s e a r c bc o n t e n t sa n dt e c 王1 1 1 i c a Jm e t h o d s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 2S e i c t i o no nM i n eP a s t e F i l l i n gM a t e r i a l sa n dR e s e a r c ho f A g g r e g a t e C h a r a c t e r i s t i c s 1 1 2 ．1P r i n c i p l eo fs e l e c t i o na n dr a t i oo nc o a lf i l l i n gm a t e r i a l s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．11 2 ．2E f f e c t so f c o a r s ea g g r e g a t ep a r t i c l ed i a m e t e ro nb a c k f i l l i n gp e r f o r m a n c e ．⋯．⋯⋯⋯- 1 6 2 ．3S u m m a r y ．．．．．．．．．⋯．．⋯⋯⋯．．．．⋯⋯．．．．．．．⋯．⋯⋯．⋯．．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．．．⋯．⋯．⋯⋯．．．⋯．．⋯⋯⋯⋯2 3 3E x p e r i m e n t a lS t u d yo nC r e e pC h a r a c t e r i s t i c so fC o a lG a n g u eP a s t eF i l l i n gM a t e r i a l2 4 3 ．1T h eM e c h a n i s mo fs u r f a c es u b s i d e n c ec o n t r o l l e db yc o a lg a n g u ep a s t eb a c k f i l l i n g m i n i n g ．⋯．．⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯．．．．⋯．．．．．⋯．．．．⋯⋯⋯．．．．．．⋯⋯．．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。⋯⋯．．．．⋯⋯⋯⋯⋯．2 4 3 ．2U r t i a x i a ls t r e n g t hc h a r a c t e r i s t i c so f c o a lg a n g u ep a s t eb a c k f i l l i n g ．⋯⋯．．．．．．．．．．．⋯．．．⋯．．．2 7 3 ．3S h o r t ．t e r mc r e e pt e s ta n da n a l y s i so f c o a lg a n g u ep a s t eb a c k f i l l i n g ⋯⋯．．．．．⋯．．⋯⋯⋯⋯31 3 ．4S u m m a r y ．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．⋯⋯．．．．⋯．⋯．．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯．⋯．．．．．．⋯⋯．．．．⋯．⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯．4 8 4E x p e r i m e n tS t u d yo nC o a lG a n g u eP a s t eF i l l i n gM a t e r i a lD u r a b l eP e r f o r m a n c eu n d e r D i f f e r e n tE n v i r o n m e n tC o n d i t i o n s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 9 4 ．1P e r m e a b i l i t yr e s i s t a n c eo f c o a lg a n g u ep a s t ef i l l i n g m a t e r i a l ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 9 4 ．2S o l u t i o ne r o s i o nr e s i s t a n c eo f c o a lg a n g u ep a s t ef i l l i n gm a t e r i a l ．．．．．．⋯⋯⋯⋯．．．⋯．．⋯．．．5 1 4 ．3T h e r m a ls t a b i l i t yo f c o a lg a n g u ep a s t ef i l l h a gm a t e r i a l ⋯⋯．⋯．⋯⋯⋯．．⋯．⋯⋯．⋯．．⋯⋯⋯．5 6 4 ．4F r e e z i n gr e s i s t a n c eo f c o a lg a n g u ep a s t ef i l l i n gm a t e r i a l ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 8 4 ．5S u m m a r y ⋯．．．．．⋯．．．⋯．．⋯．．．．⋯⋯．．．．⋯．⋯⋯⋯⋯．⋯．．⋯⋯．⋯．．．．．⋯．⋯⋯．．⋯．．．．⋯．⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯6 0 5C o n c l u s i o n sa n d P r o s p e c t s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 1 5 ．1 】V 【￡L i I lc o n c l u s i o n s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 1 5 ．2I n n o v a t i o nw o r k s ⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯．⋯．⋯．．⋯⋯．．．．．．．．．⋯．⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯．．6 2 5 ．3P r o s p e c t sf o rt h ef u t u r er e s e a r c h ⋯．．．⋯．⋯，．．．⋯。⋯⋯．⋯⋯⋯。。⋯。．。．⋯⋯．。⋯⋯。．．．⋯。．。．⋯．．。．．⋯6 3 A c k n o w l e d g e m e n t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯；．．；．；．“i ⋯．．。；．j ⋯．．；j ⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯6 4 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 5 R e f e r e n c e s ⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一⋯⋯．．6 6 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 近年来，我国社会经济快速发展，人口数量急剧增加，导致资源消耗日益加剧。在 中国可持续能源发展战略研究报告中指出，我国目前的能源结构仍以煤炭资源为主， 在我国一次能源结构中煤炭资源占了7 0 ％左右，而且在未来几十年里煤炭资源所占的比 例仍然很甜。根据2 0 1 5 年2 月2 6 日国家统计局公布的2 0 1 4 年国民经济和社会发展 统计公报显示，2 0 1 4 年，我国原煤产量为3 8 ．7 亿t 。这排在了世界第一位，表明我国 既是第一产煤大国也是第一耗煤大国【2 】。 经济快速发展将消耗大量的煤炭资源，而煤炭资源大量开采又带来了像地表沉陷、 矿山固体废弃物排放、温室效应等一系列亟待解决的难题。其中“三下”压煤开采已成 为主要问题摆在我国尤其是中东部煤矿面前。据统计，全国生产矿井中“三下”压煤量 已经达到13 7 ．9 亿t ，建筑物下压煤量占总压煤量的6 9 ％，高达9 4 ．6 8 亿t ；而村庄下压 煤大约5 6 ．8 1 亿t ，占了建筑物下压煤量的6 0 ％[ 3 1 。至2 0 1 2 年底，山东省压煤村庄高达 2 0 7 2 个，涉及6 5 万多农户，近2 0 0 万人口，这些村庄下压煤2 2 ．4 亿t ，占已探明储量的 5 9 ．6 ％，那些老矿区如果不进行“三下”尤其是在村庄下采煤的话，那么都将面临着矿 井关闭的困局。像目前济宁、枣庄西部及菏泽部分矿井甚至已经到了如果不搬迁就只能 停产的局面。而近年来土地征用费以及建筑材料价格高涨，村庄搬迁费用也相应不断上 升，因而继续采用这种办法来开采难度也变得越来越大【4 】。对村庄压煤除了采用搬迁开 采的措施外，长期以来，我国还运用了条带开采、水砂充填和离层区注浆充填等方法【5 】。 不过这些开采技术对时间、环境等方面因素的依赖性较大，不易展开。例如，条带法开 采虽然是减少地表沉陷变形的有效方法之一，但是条带法开采掘进工作量大，生产管理 复杂，煤炭资源采出率低，在厚煤层开采条件下条带开采采出率更低，资源浪费严重， 部分矿井为了延长矿井服务年限，不得不考虑开采以前留设的煤柱[ 6 1 。而覆岩离层注浆 法对地表的减沉量不超过4 0 ％，与预期的控制效果差别较远。 根据上述资料，我国目前急需发展新的不迁村的采煤方法，而且这种不迁村采煤方 法的技术特征应该包含有生产安全、采出率高、环境友好等方面【7 I 。在相关研究中，中 国矿业大学周华强[ 8 l 教授在此原则上提出了固体废物膏体充填不迁村采煤的开采方法。 该方法是在地面上先把煤矿附近的煤矸石、粉煤灰、工业炉渣、城市固体垃圾等按照一 山东科技大学硕士学位论文绪论 定比例混合加工成膏状浆液，然后用充填泵或自溜通过管道把这种胶结性或非胶结性的 膏状浆液输送到井下回采工作面的采空区，充填后，通过形成以膏体充填体为主体的覆 岩支撑体系，使地表沉陷量在建筑物的可接受范围内，进而达到村庄不搬迁、建筑物下 压煤安全开采、矿区生态环境受到保护的目的。瞿群迪【9 1 等基于钱鸣高【1 伽院士的绿色开 采技术理念，指出膏体充填开采技术在我国煤矿行业具有广阔的运用前景和城市固体废 弃物充填法是煤矿绿色开采的新途径、新思路。 膏体充填开采技术能够比较有效地控制上覆岩层移动、减少地表沉陷量，达到保护 地面建 构 筑物和生态环境的目的。基于膏体充填开采技术的特点，它可用于村庄等 建筑物下压煤的开采在保证地面建筑物只受到极轻微或轻微损害的同时，大幅度提高 村庄等建筑物下煤炭资源的采出率，有效解决矿井“三下”压煤量过大的难题，增加矿 井生产效益；同时减少煤矿开采生产对所属区域生态环境的破坏，从而延长矿井的服务 年限。煤矿膏体充填材料一般以固体废弃物为主，这样一方面解决了固体废弃物堆放占 地问题，另一方面也充分利用了废弃资源，保护了环境【1 1 】。 不过，在充填开采过程中，由于矿井底下的地质环境比较复杂，膏体充填材料充填 后将面临着诸多挑战，许多的技术难题需要解决。比如充填体要承受复杂而且较大的长 期载荷，充填体周围复杂水环境等对其侵蚀、渗透的破坏作用，这些都对充填材料的耐 久性提出较高的要求。因此，采空区充填开采时充填膏体能否达到预期的控制效果是我 们考察充填开采技术是否成功的重要指标，而控制效果在一定程度上体现在膏体充填材 料的耐久性。 本文以中国煤炭开采引起的地表沉陷和开采后的“三下”压煤问题为切入点，提出 了采用膏体充填开采技术的开采方法，研究充填材料在压载荷及在环境作用下的耐久性 能。而目前关于此方面的研究还不是很成熟，因此全面研究充填材料的耐久性能，不仅 能够变废为宝，提高资源利用率，还能为绿色膏体充填开采技术的推广提供技术指导， 具有重要的经济、社会和环保意义。 1 ．2 国内外研究现状及分析 1 ．2 ．1 矿山充填技术的国内外研究现状 国内外矿山充填开采的历史也已达一百多年，它的兴起和发展是为了服务采矿业， 而且它的发展和完善基本上是在金属矿山中完成的。国外在矿山充填方面的实践开始于 山东科技大学硕士学位论文 绪论 2 0 世纪3 0 年代，而我国起步稍微晚点，大约在2 0 世纪5 0 年代。根据充填材料的发展 历史，国内外矿山充填技术的发展大都经历了大约以下四个发展阶段干式充填、水砂 充填、胶结充填、高浓度充填。其中，前两种属于非胶结充填技术，后两种属于胶结充 填技术。非胶结充填技术是指充填体为一种松散体，当全部或部分解除其边界的约束条 件后，充填体会有全部或部分坍塌，无法形成稳固、独立的充填体。胶结充填则是在充 填材料中加入适量的胶凝剂 如水泥、赤泥、石膏等 以此形成具有一定强度和整体性 的充填体来支撑围岩和矿柱。这种胶结充填体即使其边界的约束全部或部分解除，均不 会有坍塌，仍可以起到预期的作用【l 2 1 。 国外干式充填法始于2 0 世纪4 0 年代左右，是把固体废弃物的处理作为主要目的， 将废料直接运至采空区。2 0 世纪初澳大利亚的塔斯马尼亚芒特莱尔矿和北莱尔矿就尝试 过废石干式充填，随后3 0 年代的加拿大诺兰达公司霍恩矿也首次将粒状炉渣掺磁铁矿直 接充入采空区进行充填。而这种方法在我国的2 0 世纪5 0 年代以前也是以处理固体废弃 物为主，而后在5 0 年代初成为我国主要采矿方法之一。不过，随后因其劳动强度大、生 产能力小慢慢遭淘汰。水砂充填最开始试用于2 0 世纪5 0 年代的美国宾夕法尼亚州的某 煤矿，随后该技术在南非、德国、澳大利亚等相继推广。不过，随后因充填浓度低、水 砂源限制等因素，该法在7 0 年代后逐步被淘汰。我国水砂充填工艺晚于国外，开展于 2 0 世纪6 0 年代，首次试用于山南锡矿的控制大范围地压活动试验中，后续湘潭锰矿开 始采用碎石水力充填工艺，取得不错效果。在2 0 世纪7 0 年代铜绿山铜矿、招远金矿、 凡口铅锌矿等也相继运用了尾矿水力充填工艺。至2 0 世纪8 0 年代时，我国的水砂充填 技术已经在国内6 0 余座有色、黑色金属矿山中应用。 2 0 世纪6 0 - 7 0 年代，由于非胶结充填充填体自立能力差，难以满足矿井生产要求， 在水砂充填法充分推广后，胶结充填法在国内外开始逐步发展。国外的胶结充填技术的 试用有1 9 6 0 年加拿大的国际镍矿公司，该公司首先试验波特兰水泥固结水砂充填技术， 并在1 9 6 2 年运用于F r o o d 矿，并且对充填体以及其对围岩的作用也展开了更深入的研究。 同期，我国开始研发运用尾矿胶结充填工艺，初期充填材料均为混凝土，骨料较粗。受 限于充填时充填材料输送困难、对物料的级配要求较高等条件，该法未能得到大规模的 运用。直至2 0 世纪7 0 年代后，细砂胶结充填技术的产生慢慢代替了上述充填技术。目 前，我国仍有部分金属矿山还在采用细砂胶结充填技术。2 0 世纪8 0 年代后，随着采矿 行业的发展及相应的回采要求，为了进一步降低采矿成本、保护环境，高浓度充填技术 山东科技大学硕士学位论文 绪论 得到发展。出现了像碎石砂浆胶结充填、膏体充填和全尾矿胶结充填等技术。国外的澳 大利亚坎宁顿矿，加拿大洛维考特矿、基德克里克矿、金巨人矿，以及南非、美国、俄 罗斯等一些矿井开始运用此法。国内的高浓度充填技术开始于2 0 世纪9 0 年代，首例采 用膏体泵送充填系统成功运用于1 9 9 4 年的金川有色金属公司二矿区。随后，湖田铝土矿、 铜绿山铜矿、咯拉通克铜矿等相继建成膏体充填泵送系鲥” 1 7 】。之后，采矿充填技术随 着各种新型充填工艺、新型胶结材料的成功应用，得到了极大的发展。 1 ．2 ．1 ．1 膏体充填技术的国内外研究现状 膏体充填开采技术起源于2 0 世纪8 0 年代初期，首先运用于金属矿山开采。当时位 于德国的普鲁萨格金属公司下属的巴德格隆德铅锌矿与在德国的一家混凝土泵制造商普 茨迈斯特公司合作，设计出了一种可以泵送的膏体充填材料配比。然后运用过滤机和全 液压驱动搅拌机制作膏体，并通过P M 全液压双缸活塞泵将配制好的膏体输送至井下。 巴德格隆德铅锌矿的膏体充填系统的成功使该工艺成功的向世界各地推广，到了后 期，也成功的被煤炭行业引进。在巴德格隆德铅锌矿成功运转后，该系统首先被德国煤 炭行业所重视。在1 9 9 1 年，德国矿治公司与德国一家煤炭公司合作，在沃尔萨姆煤矿 W 甜s u m 首次在煤矿上尝试运用膏体充填技术。充填材料选用浮选矸石、破碎岩粉、 粉煤灰等，物料最大粒径不超过5 m m ，质量浓度高达7 6 ％- - - 8 4 ％，运料采用的是普茨迈 斯特公司的液压双活塞泵，运输压力大，距离较远。由于膏体质量浓度较高，在该充填 工作面没有设置隔离滤水装备，而是结合冒落的矸石的吸水性的特点来消除充填膏体滤 出的水。该工艺不仅基本避免了对工作面和环境产生的不良影响，而且合理的利用了煤 矿固体废弃物，提高了资源利用率，展示出了强大的生命力和运用前景。 国内煤矿膏体充填开采技术研究最先起步于中国矿业大学，其2 0 0 6 年5 月设计的山 东太平煤矿固体废弃物膏体充填法达到了不