多源煤基固废材料充填特性及其与矸石组合承载性能实验研究
煤炭资源大量开采在为国民经济发展做出巨大贡献的同时，也带来了诸如地表沉陷或塌陷、固废大量产生与堆放等环境负效应。充填开采技术凭借其资源回收率高、地表沉陷小与保护环境等优点得到了广泛的应用。论文研究依托国家重点研发计划课题，基于煤炭资源绿色开采理念，从固废资源综合利用角度，以宁东地区煤矸石、粉煤灰、脱硫石膏、气化渣、炉底渣煤基固废材料为原料，采用实验室实验与理论分析相结合的方法，全面系统地研究了多源煤基固废材料应用于采空区冒落带的充填材料最优配比、充填料浆的管输特性以及充填胶结体的力学性能与承载特性，为研究项目能够顺利进入工业实验奠定了重要的基础。研究取得的主要成果如下: 研究成果为多源煤基固废的综合利用充填料浆制备提供科学依据。 (1)在测试固废材料微观物理形态与化学成分的基础上，采用响应面法对不同配比号下的多源煤基固废材料充填料浆特性进行了优化分析，获得了用于制备充填料浆的多源固废材料的最优配比:矸石49.5％、粉煤灰8.3％、脱硫石膏4.1％、气化渣6.2％、炉底渣6.2％。 (2)构建了大型采空区冒落带充填实验平台，并采用制备的多源煤基固废充填料浆进行了充填实验，获得了充填料浆在不同煤层倾角开采条件下的采空区冒落带矸石散体中的流动特征，掌握了多源煤基固废材料制备的充填料浆在不同煤层倾角下的采空区冒落带矸石散体中的扩散规律。 (3)通过对充填固结体的微观物质结构分析、固结体试件单轴加载与声发射测试，研究了多源煤基材料组成成分对不同龄期充填固结体试件强度的影响特征、充填体承载的力学特性，获得了不同龄期试件内部生成新物质的演变特征，揭示了多源煤基固废充填体的强度演化规律及声发射特征。试件的3d龄期单轴抗压强度稳定在0.3MPa左右，约为28d龄期强度的22％;14d龄期单轴抗压强度稳定在1.3MPa左右，约为28d龄期强度的80％;28d龄期单轴抗压强度稳定在1.7MPa左右，最大的达到2.8MPa。 (4)采用数值模拟方法，利用FLUENT软件研究多源煤基固废充填料浆的管输特性，分析了不同管道转折角度、不同充填料浆密度、不同管道入口压力及不同管道直径条件下的充填料浆流速与压力分布规律，揭示了充填料浆的管输速度与压力分布特征，探明了多源煤基固废充填料浆管输流动特性。 (5)采用组合实验进行充填体的单轴压缩试验与声发射测试，结合分形理论分析，研究了充填组合体的承载特性，发现了充填组合体承载的阶段性特征，揭示了采空区冒落带矸石与充填料浆形成的充填组合体的压缩力学特性，以及充填组合体内部颗粒相互作用机理。 (6)论文基于“多源煤基固废材料充填特性及其承载性能”的研究，所取得的成果为国家重点研发计划项目能够顺利进入工业实验奠定了重要的基础，提供了有力支撑。
充填开采;煤炭资源;煤基固废;煤矸石;承载性能
安徽理工大学
博士
采矿工程
华心祝
2022
中文
TD823.7
2023-08-01（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）