煤礦膏體充填材料不同條件下的電阻率特性及應用研究.pdf

1、煤礦膏體充填開采技術是解放村莊下、水體下、道路下的煤炭資源的有效途徑，同時，煤礦膏體充填材料以煤矸石、粉煤灰等固體廢棄物為主要原料，一方面可以改變固體廢棄物無序堆積污染環(huán)境的現(xiàn)狀，另一方面也可以有效控制地表沉陷。因此，煤礦膏體充填開采技術是實現(xiàn)綠色采礦的重要組成部分。膏體充填材料及特性是達到充填效果的關鍵因素，充填效果評價是完善膏體充填體系的重要環(huán)節(jié)。本文以原料的活性特征為切入點，充填材料的電阻率性能為主線，基于膏體充填材料電阻率對充填

2、效果的有效評價為目標。采用實驗室試驗、理論分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場實測的方法，對原料的活性特征、原料含量對充填材料電阻率性能的影響、單軸加載條件下應力和電阻率的相互關系進行了研究，并提出了一種基于煤礦膏體充填材料電阻率特性對充填效果的評價方法，取得了一些創(chuàng)新性成果。
　　為了了解充填材料中的原料的活性特征及其對充填材料電阻率的影響。研究了機械破碎后的矸石粉末和粉煤灰溶解在不同濃度的氫氧化鈣溶液48h內的火山灰反應特性和活性離子溶出特性

3、，采用X射線衍射儀(XRD)、熱場發(fā)射掃描電子顯微鏡(FETEM)和傅里葉紅外光譜儀(FT-IR)分別對矸石粉末浸入1mol/L和0.1mo/L Ca(OH)2溶液不同時間段的濾渣礦物成分、微觀形態(tài)和官能團特征進行了分析和觀測，同時運用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(ICP-OES)和電導率儀分別對濾液的活性離子濃度和電導率進行測定。分析了活性離子Al3+、Fe3+、Si4+來源于礦物成分中官能團鍵能的變化，揭示了活性離子濃度變化的直接原因

4、是活性離子從礦物結構中的溶出和參與火山灰反應共同作用的結果，研究了礦物表面形態(tài)隨溶解時間增加針柱狀產物增多的變化過程。
　　分別研究了細矸石(-5mm)含量、粉煤灰含量和養(yǎng)護齡期對充填材料礦物成分、微觀形態(tài)、孔隙結構、孔隙溶液離子濃度、電阻率、抗壓強度的影響，揭示了材料抗壓強度變化的微觀機理是由材料孔隙率、材料硬化后漿體與矸石接觸面膠結作用引起，電阻率變化的微觀機理是由材料孔隙結構、界面過渡區(qū)的裂隙和孔隙溶液的離子濃度共同作用的結

5、果。分析了原料含量造成材料性能變化的根本原因是原料對材料內的物理填充、溶出的活性離子參與火山灰反應。建立了不同粉煤灰含量條件下抗壓強度和電阻率的函數(shù)關系式，分析了不同細矸石含量條件下抗壓強度和電阻率不存在相關性的原因。
　　結合傳統(tǒng)巖石力學的方法，研究了早期膏體充填材料在自然和礦井水養(yǎng)護狀態(tài)下，應力-應變曲線的特征及變化規(guī)律，把充填材料單軸加載條件下的變形分為四個階段，分階段對變形特征進行了詳細的分析。揭示了礦井水pH值和電導率變

6、化的機理，認為充填材料內發(fā)生的水化反應和火山灰反應是其變化的根本原因。分析了不同養(yǎng)護狀態(tài)下的孔隙率和孔隙結構對應力-應變-電阻率產生的影響，給出了不同養(yǎng)護狀態(tài)下應力峰值前和峰值后的應力與電阻率的函數(shù)關系式，為確定項板應力作用下充填體電阻率提供了理論依據(jù)。
　　基于膏體充填材料的電阻率特性，提出了煤礦膏體充填效果的電阻率評價方法，介紹了該方法對充填體的監(jiān)測過程和數(shù)據(jù)處理的步驟，分析了該方法用于充填效果評價的優(yōu)勢，在新陽煤礦進行了實際

7、的工程應用。針對新陽煤礦充填工作面具體的地質條件，設計了充填系統(tǒng)及其工藝，確定了上覆巖層的電阻率和充填體在不同開采階段的電阻率，利用正演軟件RES2DMOD，建立不同階段的充填體與覆巖的電阻率模型，通過反演軟件RES2DINV計算得出視電阻率曲線剖面圖，揭示了充填開采過程中，視電阻率曲線的形態(tài)和數(shù)值的變化規(guī)律。將電阻率充填效果評價方法應用于現(xiàn)場對充填體的監(jiān)測，將評價結果與正反演數(shù)值模擬對照，結果表明:本文提出的電阻率充填效果評價方法是可