充填体强度

充填体强度（共7篇）

充填体强度 篇1

摘要：试验研究了胶凝材料类型、料浆浓度和凝石含量对似膏体充填体早期强度的影响, 结果表明:凝石作胶凝材料的充填体强度高于以普通水泥作胶凝材料的充填体强度;似膏体充填体的8 h强度随料浆浓度和凝石含量的增加呈近似线性增加;料浆浓度和凝石含量对似膏体充填体的8 h强度具有近似相等的贡献。

关键词：似膏体充填体,早期强度,凝石,浓度

目前我国煤炭开采每年排出地下水约22亿m3[1] , 导致地面塌陷面积累计已达约50万hm2[2] , 每年新形成地面塌陷约3万hm2。面对煤炭开采造成的严重问题, 钱鸣高院士等提出了绿色开采的理念并对其技术框架进行了深入研究。采空区充填开采技术是煤矿绿色开采的主要内容之一[3,4] 。我国过去较多采用的水砂充填技术, 存在料浆制备和输送工艺复杂、料浆于井下大量脱水、污染井下环境并大量增加排水费用等问题。金属矿山应用较多的膏体充填技术, 充填料浆浓度高, 井下脱水少, 基本不增加排水费用, 但因料浆制备和输送困难、主要设备需要进口等原因, 使其在更广泛领域的推广受到了限制。孙恒虎教授领导的课题组创造性地提出了“似膏体充填”新技术。似膏体充填料浆的浓度低于膏体充填而高于水砂充填料浆, 一般为72%~78%;料浆制备和输送工艺简单, 一般不需进口设备, 料浆的脱水率稍高于膏体而远低于水砂充填。由于使用特殊的胶凝材料且固体物料的选择实现了粗细颗粒的合理搭配, 料浆固化后形成的充填体强度高。

煤炭充填开采工艺过程中, 充填工作紧随工作面推进, 要求充填体在短时间固化后产生的早期强度要达到自立, 并能够对顶板有适当的支撑作用。在此对似膏体充填体的早期强度进行试验研究并对试验结果进行一定的理论分析。

1 似膏体充填材料的选择

对似膏体充填材料总的要求是:数量足, 质量好, 安全可靠, 价格低。具体确定似膏体充填材料的组成要遵循以下几条基本原则:

1) 满足输送工艺的要求。

为降低输送成本, 充填料浆一般采用管道输送, 所以充填料浆的流动性必须满足管道输送的要求。

2) 充填成本低。

胶凝材料的成本是充填材料成本的主要部分, 选用合适的胶凝材料, 降低胶凝材料的用量, 以及充分利用其他廉价材料都是降低充填成本的有效途径。

3) 充填体强度必须满足采矿工艺的要求。

充填体充入采空区后经过一定时间的凝结固化, 按既定工艺顺序拆除模板时, 充填体必须能够自立, 而且后期强度也必须满足其作为顶板或底板的要求。

4) 充填体脱水率低, 沉缩率小。

充填体脱水首先造成井下工作环境污染, 增加矿井排水成本;同时, 脱水造成充填体沉缩, 接顶效果差, 不利于对顶板岩层的有效控制。

5) 料浆的制备工艺简单。

在料浆的制备环节中, 相应的料浆制备系统越简单, 充填料浆的配合比越容易控制, 其初期投资也越小, 因此, 在满足其他原则的前提下, 制备料浆所用的充填材料种类宜少。

依据以上要求和原则, 并结合山东某矿的具体条件, 确定充填集料选择河砂和粉煤灰, 其中河砂作为粗集料, 粉煤灰作为细集料。胶凝材料选用清华大学孙恒虎教授发明的凝石。凝石是利用火山灰成岩原理和岩石矿物学理论相似模拟演示成岩条件, 在主体材料 (矿渣、粉煤灰等工业固体废弃物) 中加入少量成岩剂所获得的能够在常温常压条件下聚合而成的类天然岩石的生态胶凝材料。凝石以固体排放物为主体原料, 既可实现固体排放物的综合利用, 降低充填成本, 还可以解决水泥行业高污染及原生资源短缺问题[5,6] 。目前凝石已大量用于道路混凝土路面工程、建筑结构工程、采矿充填工程、水利工程、海洋工程, 以及混凝土预制件等的生产或应用研究[7,8,9,10,11] 。

2 似膏体充填体早期强度的试验

2.1 试验设计

影响似膏体充填体早期强度的因素很多, 如胶凝材料类型及含量、料浆质量浓度、集料类型及颗粒级配、养护温度及龄期, 拌和水的性质 (如磁处理改变活性) 等。首先对比研究普通水泥和凝石分别作胶凝材料对充填体强度的影响, 采用32.5#普通硅酸盐水泥和32.5#凝石。料浆配比:质量浓度78%, 胶凝材料含量4%, 粉煤灰含量20%, 河砂含量54%。分别测定充填体8 h及1, 3, 7, 28 d单轴抗压强度。重点研究料浆浓度和凝石含量对似膏体充填体8 h抗压强度的影响。采用的料浆配比:质量浓度取76%, 77%和78% 3个水平, 凝石含量取3%, 4%和5% 3个水平, 粉煤灰含量均为20%, 共9个配合比。试件规格为70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm, 养护温度全部为20 ℃, 拌和水全部为自来水。

2.2 试验结果及分析

用普通水泥和凝石分别作胶凝材料的充填体在8 h及1, 3, 7 d的强度变化情况见图1。以凝石作胶凝材料的不同料浆浓度和不同凝石含量的似膏体充填体固化8 h的强度试验结果见图2。

由图1可见, 在各个龄期, 以凝石作胶凝材料的充填体抗压强度均高于以水泥作胶凝材料的充填体抗压强度, 其根源在于凝石和水泥的水化固结机理不同。凝石技术是利用各种经过高温过程的固体废弃物中已聚集的内能, 在成岩剂的作用下形成类岩石相的非晶或微晶态的硅酸盐网络聚合物, 并溶蚀各种被固结的硅酸盐颗粒表面, 将其“焊接”在一起形成类岩石结构体。其结合的化学力是共价键。由于“焊接”的作用, 其固结体不但具有很高的强度, 而且还具有不溶出、耐酸、耐碱、耐盐, 体积稳定和耐久等特点。作为对比, 水泥是靠C3S, C2S, C3A, C4AF等高钙矿物在水中发生水化形成C-S-H凝胶及较高结晶态的水化矿物。其中以C-S-H凝胶起主要胶凝作用。C-S-H凝胶是众多低结晶度的水化硅酸钙矿物的混合体。这些矿物单体不但具有很低的结晶度, 而且有极小的晶体尺寸, 多在胶体尺寸范围内, 这种极小尺寸、极低结晶度晶体组成的C-S-H凝胶具有很高的表面能, 对各类无机颗粒都具有很强的“黏结”能力。普通的水泥混凝土正是依靠这种“黏结”能力将砂子和石子“黏结”在一起。这种“黏结”一般被认为是范德华力在起作用, 但较高强度的“黏结”需要在每一个被黏结的颗粒周围都形成一定厚度的包裹层。如果包裹层不完整, 就会使黏结体的强度大幅度下降。在充填体中, 胶凝材料用量较少, 且早期水化程度也较低, 因此以普通水泥为胶凝材料的充填体强度较低。

由图2可见, 似膏体充填体固化8 h达到的强度随料浆质量浓度及凝石含量的增加而呈近似线性增加。以8 h强度为因变量, 料浆浓度和凝石含量为自变量对试验结果进行回归分析, 可得8 h强度R8 h/MPa与凝石用量c/%和料浆质量浓度d/%的关系式:

R8 h=-1.072+0.018 5c+0.015d (显著性水平α=0.01) (1)

由式 (1) 可见, 充填体8 h强度与凝石用量和料浆浓度线性相关, 且料浆浓度的系数和凝石含量的系数接近。这一结论对确定现场充填料浆的配比具有重要指导意义。对于料浆输送距离短, 阻力小, 易于输送的矿井, 为降低充填成本, 可减少胶凝材料用量并同时提高料浆浓度以保证一定的强度。而对于输送距离长, 阻力大, 输送困难的矿井, 为提高管道输送系统的可靠性, 可降低料浆浓度, 同时适当增加胶凝材料用量以保证一定的强度。

3 结论

1) 凝石作为新型胶凝材料, 在煤矿充填开采中使用具有比普通水泥更高的早期强度。

2) 似膏体充填体固化8 h达到的强度随料浆质量浓度及凝石含量的增加而呈近似线性增加, 而且料浆浓度和凝石含量对似膏体充填体的8 h强度具有近似相等的贡献。

3) 煤矿充填开采增加了地面充填系统及井下生产工序, 相应增加了生产的主动投资。但充填开采有助于保护环境并改善煤矿安全状况, 因此, 在环境脆弱、地质条件复杂、安全状况较差的矿区发展充填采煤更具现实意义。

参考文献

[1]国家煤矿安全监察局.中国煤炭工业年鉴[M].北京:中国煤炭工业年鉴编辑部出版, 2006.

[2]李白英.开采损害与环境保护[M].北京:煤炭工业出版社, 2003.

[3]钱鸣高, 许加林, 缪协兴.煤矿绿色开采技术[J].中国矿业大学学报, 2003, 32 (4) :343-348.

[4]许家林, 钱鸣高.绿色开采的理念与技术框架[J].科技导报, 2007, 25 (7) :61-65.

[5]孙恒虎, 倪文.仿地成岩的凝石理论与实践[C]//水泥与混凝土利废技术与可持续发展论坛.北京:中国建筑材料工业协会, 2006.

[6]孙恒虎, 李宇, 李化建, 等.凝石技术与循环经济[J].绿色建材, 2005 (5) :61-65.

[7]SUN Wenbiao, SUN Henghu, ZHAO Longsheng, et al.Study onBackfilling Material by Using Sialite for Coal Mining Safety andEnvironment Protection[C]//Progress in Safety Science andTechnology.Beijing:Science Press, 2005.

[8]董建伟, 王晖.凝石混凝土技术在水利工程中的应用展望[J].吉林水利, 2005 (7) :31-34.

[9]孙文标, 孙恒虎, 刘建庄, 等.似膏体充填料浆配合比的实验研究[J].中国矿业, 2005 (8) :70-71.

[10]赵龙生, 孙恒虎, 孙文标, 等.似膏体料浆流变特性及其影响因素分析[J].中国矿业, 2005 (10) :45-48.

[11]孙文标, 郭军杰, 张建立, 等.煤系固体废弃物用作充填材料改善煤矿安全与环境状况[J].矿业安全与环保, 2008, 35 (1) :70-72.

充填体强度 篇2

沿空留巷位于采空区边缘, 采空区上覆岩层沉降必然制约巷道顶板的下沉破坏, 所以要搞清回采期间采空区岩层发生的剧烈运动及围岩应力的集中对沿空留巷矿压显现的影响。

1 充填体强度分析

由于充填体滞后工作面形成, 当充填体所承受的应力大于充填体的强度时, 引起充填体变形。为了判断充填体的安全性, 需要对充填体载荷进行估算。

1.1 实体煤帮和巷旁充填体上总载荷估算

沿空留巷直接顶沿采空区侧充填体的外缘切落, 沿实体煤侧已产生裂缝;同时留巷直接顶上覆基本顶关键块间相互咬合已形成大结构, 或留巷直接顶一旦破坏, 上部基本顶关键块的支承点将向实体煤帮更深部的直接顶转移。所以, 可以取留巷直接顶为分离体, 留巷巷道上覆垮落带倒梯形范围直接顶的岩层重量由实体煤帮、巷内支护和巷旁充填体共同承担, 如图1。

直接顶高度的计算:

式中M—煤层采高, m;

kp—直接顶垮落时初始膨胀系数, 一般1.25~1.5。

则实体煤帮和充填体上的总载荷为:

式中p—沿空留巷充填体上的总载荷, k N;

B—留巷巷道宽度, m;

b1—留巷侧充填体宽度, m;

b2—实体煤帮塑性区宽度, m;

δ—采空区上覆岩层垮落角;

γ—上覆岩层平均容重, k N/m3;

k—深井周期来压影响的增压系数;

R—巷内支护阻力, k N/m2。

1.2 充填体上平均应力计算

若不考虑几何形状对压力分布的影响, 充填体单位面积上的平均应力为

由于实体煤帮塑性区宽度b2由实体煤帮煤岩性和顶板压力决定, 工作面后方为卸压区, 所以塑性区通常较小, 留巷顶板载荷大部分将由充填体承担。

在上述计算中, 尽管存在着近似和简化, 但它是一种比较简便和实用的充填体载荷估算方法。

2 实例分析与计算

淮南谢一矿512 (5) 工作面机巷的实际条件, 取B=5m, b1=3m, b2=1.4m (钻孔窥视仪实测平均值) , δ=75°, M=2.5m, γ=2.5×104N/m3, kp=1.35, k=2。

由此计算得出实体煤帮和充填体上的总载荷为:

进一步推算充填体应具有的承压强度

(1) 此即为巷旁充填体构筑初期 (1d) 所需的支护强度, 充填体支护作用的对象是直接顶, 考虑工作面有周期来压情况, 引入深井周期来压增压系数k。

(2) 巷旁充填体后期所需支护强度:根据巷旁充填试验结果, 充填墙体的后期强度σl与初期所需承压强度σ的关系可用下式表示。

式中:kt为切断基本顶系数, 一般取kt=3;

所以, 充填体后期所需强度为3.94MPa。

(3) 如果充填体宽度需要进行优化, 则视充填体宽度b1为变量, 代入原式可得:

充填体初期强度:σ=0.18+5.83/ (b1+1.4) (MPa)

充填体后期强度:σl=0.54+17.49/ (b1+1.4) (MPa)

由上式计算得出巷旁充填体所需强度与巷旁充填体宽度b的关系一览表1和表2, 并绘出巷旁充填体所需强度与巷旁充填体宽度关系图, 如图2、图3所示。

本次充填体材料的主要成分是:硅酸盐、沙子、粉煤灰及添加剂, 强度指标如表3。

综合以上研究, 为安全起见, 512 (5) 机巷充填体宽度最终取为3.0m。

3 结论

(1) 通过采空区顶板岩层的破断规律研究, 分析了沿空留巷侧向板块围岩结构, 建立了沿空留巷围岩结构模型, 为下一步研究沿空留巷打下了基础和前提。

(2) 通过顶板下沉变形力学分析可知, 顶板厚度越大顶板下沉量越小, 顶板弹性模量越大下沉量几乎不变, 巷道宽度越大顶板下沉量越大。

(3) 通过对巷旁支护形式及巷旁支护体作用的分析, 提出了巷旁支护阻力及充填体强度计算公式、合理确定充填体宽度及充填体强度的办法。

参考文献

[1]白志强, 等.沿空留巷围岩位移特征分析[J].内蒙古煤炭经济, 2013, 04.

充填体强度 篇3

关键词：均匀布点理论,磁化水,磁化参数,全尾砂胶结充填体,抗压强度

0 引言

全尾砂胶结充填具有技术成熟、工艺简单、生产能力大、安全环保等优点, 在有色金属矿山应用越来越广泛[1]。但是国内部分矿山如司家营铁矿、焦家金矿、宿松磷矿等在进行全尾砂胶结充填的现场工业试验中发现, 由于全尾砂粒径组成细, 导致早期强度低, 水泥用量大, 严重制约了充填工艺的效率和能力。

针对这些问题, 国内外的主要研究方向集中在活性材料研制上。李继盛通过充填砂浆早强剂对比试验实验, 发现添加适量的早强塑化剂能明显改善胶结充填体的早期强度[2]。李洪斌通过特种水泥配浆实验, 得出了高水速凝材料能改善充填体应力状态, 提高充填强度和稳定性的结论[3]。张德明等以康家湾铅锌矿为例, 在全尾砂胶结优化配比实验中添加活性材料, 结果表明以粉煤灰和水淬炉渣为主要成分的活性材料能较大程度的提高全尾砂胶结充填体的早期强度[4]。但是上述活性材料价格高昂, 难以大量获取, 配浆工艺复杂, 使得全尾砂胶结充填技术在提高早期强度方面的研究仍然迫在眉睫。

磁化水是近些年迅速发展起来的在工业锅炉除垢防垢、油田的防蜡降粘、农业磁化育苗、医学磁化杀菌、城市污水处理等诸多领域得到广泛应用的一门新技术[5]。霍广新等通过强度对比试验研究了磁处理方法提高高水充填材料凝胶体强度方面的作用[6]。李言涛等研究了普通水的磁化处理技术和装置, 并加以推广应用[7]。王贵和等通过将磁化水与膨润土进行配浆, 研究磁化水在改变膨润土浆液流变特性的变化规律[8]。这些研究为磁化水在全尾砂胶结充填中的应用提供了参考。

因此, 笔者将磁化水引入全尾砂胶结充填配比试验中, 首先采用均匀布点理论对磁化条件进行优选, 以提高试验精度和效率, 进而通过磁化水- 全尾砂充填配比试验, 探究磁化水对全尾砂胶结充填体强度及其流动性能的影响。

1 试验技术参数

磁化条件包括三个要素: 磁场强度、磁化时间和水流循环速度。磁场强度设计值为500Gs、1000Gs、1500Gs、2000Gs、2500Gs、3000Gs; 磁化时间设计值为: 5min、10min、15min、20min和25min; 水流循环速度设计值为0. 8m/s、1. 1m/s、1. 4m/s、1. 7m/s、2. 0m / s和2. 3m / s。

利用均匀布点的理论[9], 分别将磁化条件设计值作为优化计算的初始点, 即:

取各个设计点局部最优值的最小值, 得到全局最优解, 即:

式中: B表示磁场强度; N表示单轴抗压强度。

同理, 利用均匀布点的理论对磁化时间和水流循环速度进行初步选择。经计算, 适宜该矿山磁化水- 全尾砂抗压强度试验的磁化条件为: 磁场强度为1000 - 2000Gs, 磁化时间为10 - 20min, 水流循环速度为1. 4 - 2. 0m/s。

2 磁化水- 全尾砂充填配浆试验

2. 1 试验准备

磁化水- 全尾砂充填配比试验的目的, 是探究磁化水对不同配比水泥、尾砂胶结试块的固结特性、强度指标的影响, 获得充填料浆最优配比, 为充填系统设计提供依据。经现场调研确定充填试验材料为:

1) 骨料:某矿山选场全尾砂;

2) 胶凝材料:325#普通水泥;

3) 水: 经过磁处理的水, 即磁化水。

2. 2 试验全尾砂物理化学性质

本次试验所用的全尾砂为某矿山选厂的全尾砂, 其粒径组成见表1, 化学成分组成见表2。从表1 可以看出, 全尾砂中0. 05mm以下颗粒占72% 以上; 从表2 可以看出, 除Si O2之外, 全尾砂的主要化学成分为Al2O3和Ca。

2. 3 磁化水制备系统

磁化水是指经过磁场处理的水。普通水以一定流速, 沿垂直磁感线的方向, 切割磁感线, 即形成了磁化水。水被磁化的主要条件是: 1) 水具有一定程度的导电性; 2) 水流应与磁感线垂直正交; 3) 水流切割磁感线时应有足够的速度。能使水磁化的装置称为磁化水处理器, 磁化水的制备过程如图1 所示。

2. 4 试验方法及步骤

1) 室内磁化水制备: 室内试验磁场强度B控制在1000 - 2000Gs, 水流循环流速V控制在1. 4 -2. 0m / s, 磁化时间控制T在10 - 20min, 磁化水制备系统要求性能稳定可靠, 有一定的防磁干扰能力。调节磁化电源、管路节流阀、控制磁化时间, 制备磁化条件不同、磁化效果各异的磁化水。

2) 磁化水- 全尾砂配浆: 在磁化条件范围内, 将磁化程度各异的磁化水和该矿山选场全尾砂相混合, 配制成质量浓度为74% 的全尾砂浆体, 匀速搅拌15min。

3) 试块制作与养护: 试块制作采用7. 07cm ×7. 07cm × 7. 07cm标准三联试模, 为便于拆模, 事先在模具内涂抹一层润滑油或机油。根据配比要求称量充填物料和水泥。将称量好的充填物料 ( 水泥、尾砂) 倒入混合容器, 充分搅拌均匀, 根据质量浓度要求, 将所需的水倒入已混合均匀的充填物料中, 强力搅拌形成均匀充填料浆。按照每组试验试块数要求, 将搅拌好的料浆注入7. 07cm × 7. 07cm ×7. 07cm标准三联试模。模具浇注满后, 让其自然沉降, 待初凝后, 将试块刮平, 试块初步自立后, 进行脱模处理。脱模后的试块在养护箱内进行养护, 养护箱温度18℃、湿度85% 。

4) 抗压强度测试: 试块养护达到规定龄期 ( 7d、14d、28d) 后, 测定其单轴抗压强度。受检试件的抗压强度采用轴心受压形式, 利用WDW - 2000 万能压力测试机测定其单轴抗压强度。

5) 磁化水对强度影响及磁化条件优选: 根据影响磁化水- 全尾砂充填体抗压强度的变化规律, 优选适合该矿山全尾砂充填的磁化条件。

3 试验结果及分析

3. 1 磁化水对全尾砂充填体强度影响

在之前选取的适宜磁化水- 全尾砂抗压试验的磁化条件范围内, 分别测定不同磁化条件下充填料浆的7d、14d和28d的单轴抗压强度, 其结果如表3所示。

注: 料浆质量浓度为74% ; 水泥与尾砂质量比为1: 6; 养护温度18℃ 、湿度85% 。

三个磁化要素对该全尾砂胶结充填体单轴抗压强度影响程度各异, 磁场强度、磁化时间和水流循环速度分别对其单轴抗压强度的影响如图2、图3 和图4 所示。

从试验结果可以看出: 与普通水相比, 用磁化水拌制充填料浆可以明显提高充填体抗压强度。在三个磁化要素中, 磁场强度对全尾砂充填体强度影响较为明显, 其次为磁化时间而水流循环速度对全尾砂充填体强度影响较弱。随着磁场强度的提高, 充填体抗压强度相对有较大程度的提高; 随着磁化时间的延长, 充填体抗压强度也有所增加; 而当水流循环速度达到2. 0 m·s- 1时, 充填体抗压强度反而有所下降。在磁感应强度B = 1000 - 2000Gs, 水循环流速V = 1. 4 - 2. 0 m·s- 1, 磁化时间T = 10 - 20min时, 磁化水- 全尾砂充填模块的7 天抗压强度提高19% - 28% , 14 天抗压强度提高17% - 25% , 28 天抗压强度提高13% - 15% 。

根据试验结果以及矿山实际生产的技术经济指标, 确定适合该矿山的最优磁化条件为: 磁场强度2000Gs, 磁化时间20min, 水流循环速度1. 4m·s- 1。

3. 2磁化水提高全尾砂充填体抗压强度机理分析

从水分子结构分析, 水是氢键缔合的群体, 水分子有产生氢键作用的两对孤对电子。水经过磁处理后, 氢键发生松弛并断裂, 自由的氢原子和自由孤对电子将增加, 水的活性提高, 对电解质的溶解度也提高[10,11,12]。

当磁化水参与材料反应时, 一方面水与水泥进行水解作用, 就会使水分子很容易由水泥颗粒表面进入到颗粒内部, 加强了水泥的水化与水解作用, 使水泥反应更加彻底[13]; 另一方面, 由于磁化水活性增强, 提高了物料的溶解度, 使得充填料浆更加充分、彻底的反应。因此, 磁化水拌制而成的充填体试块的单轴抗压强度要比普通水拌制的要高。

其次, 水经过磁处理后, 水分子缔合体分成单个分子或者更小的缔合体, 导致水分子的电性吸引力增加, 提高了活性[14]。

4 结论

1) 均匀设计理论通过最优逼近模型的构建, 较大程度的简化了复杂的试验模型, 能为本次磁化水- 全尾砂配浆试验提供一个合理、有效的估计。

2) 在针对该矿山的最优磁化条件下, 即磁感应强度B = 1000 - 2000Gs, 水循环流速V = 1. 4 - 2m / s, 磁化时间T = 10 - 20min, 磁化水- 全尾砂充填模块的7 天抗压强度提高19% - 28% , 14 天抗压强度提高17% - 25% , 28 天抗压强度提高13%- 15% 。

浅谈充填体质量与充填工艺的关系 篇4

地下分多步骤大规模回采的矿山, 充填系统能否高效运行, 胶凝充填体的抗压、抗剪强度和接顶如何, 采充是否平衡, 直接影响着矿山的连续生产, 因此, 通过对尾矿性质的控制保障尾矿料浆输送流畅, 搅拌设施均匀的制备以保证胶凝充填料浆质量, 适宜的挡墙设施和采场脱水系统, 通过改善和提高充填工艺水平, 建立一套完善的充填质量保障体系是提高充填体质量的重要途径。

2 充填料浆特性的研究和控制

大量的试验表明, 尾矿制备、输送浓度与尾矿的粒径、泥性物质的含量、尾矿的细度及粘度有着密切关系, 通过对尾矿级配和尾矿输送参数的研究, 砂浆粘度—浓度—流速之间存在着十分密切的关系, 在尾矿输送过程中, 粘度这一特性对确定充填料输送方法是十分重要的。对于粘度低的充填料, 即对于含水量过高的充填料, 料浆中的固体容易沉淀而引起堵塞。对于粘度高或含水量很低的充填料, 摩擦阻力过大也会引起堵塞。这就要求在充填过程中不同时期需要进行相应粘度控制。通过实际生产表明, 在充填输送过程中, 高浓度尾砂具有固体兼液体的特性, 它对尾矿充填的浓缩、输送等方面有着非常重要的作用, 因此选择适宜的浓度是十分重要的, 应以高浓度较好, 而当料浆进入采场时, 充填体自身的内聚力对挡墙的侧压力甚为重要, 应尽早提高充填体的粘结力。当充填体初始强度较大时, 充填体自身强度即可承受其自重作用从而不对充填挡墙产生压力。因此, 提高粘结力可以显著降低挡墙受力。但全尾砂胶凝充填料强度增加缓慢, 因而对挡墙压力的减少也较缓慢。为了尽快提高粘结力, 可适当加入絮凝剂、早强剂等。

试验研究表明, 充填体的强度, 不仅取决于胶凝材料添加量的多少, 还取决于充填料浆的浓度和级配。在一定条件下, 充填料浆浓度的提高, 可以增加充填体早凝, 并且可以减少采场脱水和胶凝材料的损失, 在一定程度上提高胶凝充填体强度, 某矿不同灰砂比的充填料浆凝结时间和形成的强度试验数据见表1, 充填试块抗压强度测定结果见表2。充填料浆凝结和抗压强度试验表明:①充填料浆随着其浓度的增大, 凝结时间相应减少, 试块强度增加。②料浆脱水速度加快, 凝结时间相应减少。

通过上述试验表明, 相同条件下, 充填体的凝结时间和形成的强度与其浓度有着重要的关系, 对充填料浆性态的研究和控制是保证充填体输送和强度的基础, 采取膏体或高浓度制备和输送是一个重要的发展方向, 而作为充填料浆主要骨料的尾矿, 其粒级的组成, 对充填料浆的制备和采场脱水有着很大关系, 因此需要首先确定尾砂的级配以确定合理的充填料浆制备和输送浓度。某矿全尾砂胶结充填接顶情况见图1。

3 设置可靠合理的采场充填设施

3.1 采场挡墙的设置

大空场嗣后全尾砂充填工艺技术研究首先要解决的问题是充填挡墙的稳定性。由于全尾砂充填料浆性能的特殊性, 充填挡墙任何形式的破坏及充填料浆的泄漏, 将导致充填体质量下降, 污染井下工作环境甚至是灾害性的安全事故, 所以必须研究确定合理的充填挡墙形式及结构, 同时采取切实可靠的技术措施, 使其在充填及随后的生产过程中均保证挡墙的可靠性, 以确保矿山生产的正常、安全运行。为保障采场充填料浆不泄露, 对挡墙设置要考虑以下几方面因素:①正确的充填挡墙设置地点。充填挡墙上的总压力与其面积大小成正比。因此选择挡墙位置时, 只要不影响生产和充填, 最好是选在距采场较远的、巷道断面较小且便于设置挡墙的位置。这样不仅可以降低挡墙构筑费用, 而且挡墙的可靠性、安全性也可以大大提高。②选择合理的挡墙设置方式。从施工和安全的角度来看, 尽管目前国内外有多种形式构筑、用材不同的充填挡墙, 但最常用的和最简便的还是木材构筑的挡墙。

因此采场挡墙的设置是保证充填采场安全、可靠、降低充填成本的重要条件。

3.2 采场脱水

国内采场脱水一般采用采场周边布置排水井或采场内架设泄水井等设置进行脱水, 这些设计仅局限于中小型采场, 对于高大型的采场, 施工人员不能进入采场施工作业。针对高大型采场充填的特点, 国内矿山一般依靠矿岩裂隙渗漏进行脱水, 不考虑采场脱水系统。过去国内深孔采场分级尾砂胶凝充填时, 采场采用脱水管脱水, 使用效果较好。

在采用极细粒级的全尾砂充填时, 当充填料面未超过挡墙时, 充填料所泌出的水可以从透水挡墙渗透或溢流排出。而当充填料面超过挡墙时, 充填料泌水一小部分通过充填体自身渗透并由挡墙及空区周边围岩或矿石裂隙排出。由于充填体凝固后渗透系数小, 该部分水量仅占总泌水量的5%~10%。而剩余的90%以上的泌水必须通过采场中的脱水设施而排出, 以达到下次充填时表面无积水的目的, 否则充填料表面积水将导致充填料浆的严重离析而使充填体质量严重下降。

4 低热高强胶凝材料的应用

4.1 新型胶凝材料

对于大规模深井充填矿山来说, 由于深井高温的特殊性, 加之大型机械化设备的使用和水泥在水化过程中产生的大量水化热, 不仅井下环境处于高温状态, 而且充填成本增高。针对不同的尾矿, 选择不同的胶凝材料提高充填体强度这一点是非常重要的, 特别对于高硫尾矿充填胶凝材料的选择尤为重要。笔者提出应用一种低热高强胶凝材料, 其来源和应用效果分析如下:在我国有色冶炼炉渣丰富, 因此, 在我国采矿工业应考虑有色冶炼炉渣在充填混合料中的利用问题。研究表明, 矿山充填料使用铜冶炼炉渣可取代部分硅酸盐水泥, 这种配比的胶凝料尚未在我国采矿工业中大范围应用。

4.2 新型胶凝材料与添加水泥的试块强度比较

通过大量的实验室实验, 利用工业废渣钢渣、粉煤灰、矿渣、粉煤灰、硅灰和一些建筑垃圾等配制的胶凝材料抗压强度, 在同一环境、同一灰砂比、同一浓度条件下, 其胶凝体的抗压和抗剪强度高于水泥, 这是由于这种胶凝材料各组份之间的级配和胶凝材料水化所生成的硅酸钙凝胶较多, 浆体密实性好, 减少了水泥的水化热, 抗硫酸盐侵蚀性好, 特别是在集料含硫时 (如含硫尾砂) , 具有更强的与全尾砂的胶凝能力, 充填集料粒径越小, 这种优势越明显。新型胶凝材料和以水泥为胶凝材料的充填试块强度对比如表3。

5 结语

通过上述研究和论述可得出如下结论。

(1) 膏体或高浓度尾砂充填是今后深井矿山充填的发展方向, 胶凝充填体质量不仅与浓度有关, 而且与尾砂粒径、级配、胶凝材料等有关, 选择合适的充填料浆浓度和合理的尾砂级配可使充填体强度显著提高。

(2) 充填采场设置合理、可靠的挡墙, 是提高采场安全、保证充填效果的有效途径, 强制多次接顶是采场接顶到位的基本保证。

(3) 对于胶凝充填来说, 利用工业废渣和炼铜炉渣不失为一种降低水化热、提高充填体强度的重要方法, 低温高强的胶凝材料是保证井下工作环境、降低充填作业成本的一条重要途径。

似膏体充填开采工艺优化 篇5

工艺流程:似膏体充填使用的材料是破碎的煤矸石、粉煤灰、胶结料和水配比成60%左右的似膏体状浆料。通过管道把似膏体浆料输送进入井下充填工作面, 在形成的封闭采空区空间内, 进行充填施工, 完成充填过程。经过近三年的运行, 充填系统所暴露出的缺陷及不完善的地方, 通过不断的摸索, 对充填系统进行技术改造及优化, 取得良好效果。

1 罐顶收尘装置优化

充填站储存罐底部安装有输灰管道接口, 通过与专用罐车相连接进行气力输送。在罐顶部安装有机械振打式袋式除尘器用于收尘, 并且安装有安全阀, 用于在罐内部压力过大时泄压。安全阀泄压动作时, 造成厂区环境污染严重。

优化方案:灰罐收尘装置由原来的振打式布袋除尘器, 改为MDC-24型袋式脉冲除尘器, 将含尘气体进入中部除尘箱, 在通过滤袋时, 粉尘被阻留在滤袋的外侧, 净化后的气体透过滤袋, 经过管道箱体有效排除, 可更好的防止污染大气。原理为:含尘气体由进风口进入灰斗 (没有灰斗的将直接进入袋室) , 然后含尘气体进入装有滤袋的过滤室。粉尘附着在滤袋外表面, 净化气体由滤袋进入上部箱体, 经排风管道, 由风机排到大气。

随着过滤时间的增加, 滤袋外表面粘附的粉尘不断增加, 滤袋阻力随之上升, 当除尘器阻力上升到一设定值时 (一般为1500~1800Pa) , 为保证除尘器继续工作, 需要进行清灰。

除尘器滤袋按直线排列, 每排滤袋配置一个脉冲阀来控制压缩空气脉冲清灰, 脉冲阀的动作是由程序控制器控制的。清灰时, 清灰控制器发出指令, 使脉冲阀在动作的瞬间释放出0.5~0.7MPa的压缩空气。压缩空气通过喷吹管上正对滤袋的小孔高速冲入滤袋, 在其冲入滤袋内部的同时, 又诱导产生一股数倍于压缩空气的“二次诱导气流”, 于是产生一种瞬间冲击波并沿整条滤袋的长度方向向下传播。利用这一机理, 使聚积在滤袋外面的粉尘从滤袋壁剥离落下, 粉尘落入灰斗。脉冲的持续时间可以调整, 以适合不同粉尘的各种特性。此装置减少因粉尘污染造成的不必要的人力资源的浪费, 防止大气污染, 保护环境。

2 搅拌机卸料辅助装置

充填站2台双轴卧式搅拌机, 担负着井下受水威胁工作面的充填任务。搅拌机底部卸料门为液压控制, 由PLC程序控制设定, 搅拌机内物料搅拌均匀后, 卸料门自动打开进行卸料, 卸料完毕自动关闭, 进行下一个循环的搅拌。当卸料门关闭时, 因为搅拌机搅拌的物料产生热量和部分压力, 容易形成真空造成卸料不畅。

优化方案:在搅拌机顶部安装卸料辅助装置, 在搅拌机顶部开一泄压口, 此口与除尘器相连接, 既能收集粉尘颗粒, 起到保护环境的作用, 还能破坏搅拌机内部的压力, 使物料卸料通畅, 减少了卸料时间, 经现场测试, 原来卸料时间所求的平均数为20秒, 可增加充填量15-30吨/h。

3 结语

充填工艺的优化, 减少了因粉尘污染造成的不必要的人力资源的浪费, 防止大气污染, 保护环境。提高了工效, 节约了费用。按每次充填1800吨计算可提前2小时完成任务, 节约电费500元, 节约人工及机械损耗300元, 节约维修及材料费用300元, 一次充填可节约1100元, 按每月充填8次可节约8800元, 每年可节约资金10.5万元。

摘要：分析了充填工艺存在问题, 提出了改造优化设计方案, 取得良好效果。

煤矿采空区膏体充填技术概述 篇6

据统计, 我国的煤炭资源储存总量中有超过30%的煤炭埋藏在水体下、建筑下、路桥下 (简称“三下”) 等不宜开采或开采后不允许产生塌陷的区域[1]。我国是一个煤炭资源产出大国, 也是一个以煤炭为主要能源的能源消费大国, 这几年, 随着全球能源问题的日益突出, 国内市场煤炭需求量成大幅增长趋势, 露天煤矿及埋藏较浅的煤炭资源由于储量较少, 远远不能满足当前国内市场需要;埋藏较深的煤矿资源因为开采技术条件和开采设备的原因也受到了很大的的限制。随着国内能源市场对煤炭资源的需求量的不断加大以及我国煤炭资源的特点, 探索如何对深层煤炭资源的开发利用及对后续问题的妥当处理已经受到了政府部门的重视, 国内相关企业和科研机构都在加大对这方面的研究, 已经取得了不少成果。但是, 开采深层煤炭资源仍旧面临着很多的问题。近两年, 在我国部分地区频繁发生地震等自然灾害, 已经给人民群众生命和财产造成了极大的损失, 比如陕西省神木县与府谷县一年就发生了5次震级在里氏2.0-3.5级的地震, 最近一次为2010年12月28日, 经陕西省地震局确认, 此种地震多为采空区塌陷引发的地震。

在我国因煤炭开采而造成的地面塌陷已达60多万公顷, 且每年新增沉陷面积达4万公顷之多, 同时地面塌陷在地质、环保和安全等方面的负面影响也是不可估量的, 如何解决因地下煤炭资源的采出而产生的地面塌陷问题已经成为了煤炭行业亟待解决的一个问题;另一方面, 煤矿在开采过程中产生大量的煤矸石, 堆积在地面不仅占用大量的土地, 而且一遇大风天气便会出现粉尘弥漫的现象, 不仅对附近农田和水利造成很大的影响, 而且污染了居民区环境;城市生活垃圾和城市工业产生的粉煤灰也会产生一系列环境问题, 探求如何变废为宝、加以利用至关重要。以上所有问题, 都可以通过采用合理的充填技术得到很好的解决。

煤矿采空区回填采用膏体充填是一种新型的煤矿开采技术模式, 是为解决“三下”煤炭资源的开采、提高煤炭资源采出率、保护生态环境而提出的。煤矿采空区膏体充填技术能够实现对采空区的充填, 及时对采空区地壳进行支撑, 有效避免了地下采空区域因不能承受巨大的压力而产生的地表塌陷问题。这几年随着煤矿充填站技术、长距离泵送技术的不断成熟, 深层采煤及“三下”采煤出现的问题正逐步得到解决。因此, 推广煤矿采空区膏体充填技术是实现煤炭企业清洁发展、绿色开采, 保证采空区安全发展和可持续发展的重要举措。

2 膏体充填技术的特点

膏体充填技术是在20世纪80年代初发展起来的一种基于煤矿“绿色开采”理念的新型开采技术, 它可用于煤炭置换开采或者是煤矿采空区充填支护等。以煤矸石为骨料的膏体充填开采技术是一种新的充填开采方法, 其主要有以下几个特点:

2.1 膏体充填技术的原材料主要是煤矸石、粉煤灰、炉渣、河沙或城市固体垃圾等固体废弃物。膏体充填原材料来源广泛, 可以将煤矿遗留下来的矸石, 城市生活垃圾及工业废渣回收利用, 变废为宝。既可以解决深层采煤和“三下”采煤问题, 又解决了矿区和城市环境问题, 实现了环境与经济效益的双赢。

2.2 将原材料制成膏体再辅以胶结材料就可以在地面上加工制成膏状浆体。通常情况下, 制成的膏体具有无临界流速、与水相融、不沉淀、泵送性能良好、可以长距离进行管道输送的优点[2]。

2.3 膏体经管路泵送到煤矿井下待充填区域后, 由于胶结材料的作用可以在短时间内就能够凝结固化到能够自稳并达到脱模条件、达到预定的支护强度;特殊情况下, 即使充填体局部达到强度极限破坏后, 整个充填体仍具有较高的承载性能。

2.4 膏体充填形成大体积固化体, 有利于控制充填材料中物质的溶出与迁移, 不会对地下水资源造成影响。采空区采用膏体全部充填后, 顶底板岩层不会出现结构性破坏, 不改变顶底板地下水系结构, 也有利于控制和限制充填材料中物质的迁移和影响。膏体充填的一个显著特点是基本不泌水, 充填时泌出的水分基本被顶底板岩石吸收或被工作面排水系统外排, 不会对地下水环境产生不利的影响。实际上, 由于采空区采用膏体全部充填后, 不改变矿井地下水系结构, 反而有利于保护地下水资源。

基于膏体充填技术, 利用泵送设备将膏体通过管道输送到井下, 及时对采空区实施充填, 形成以膏体充填体为主的覆岩支撑体系, 能够有效地控制地表因开采出现的沉陷在允许值范围内, 保护地面建筑物不受破坏, 提高煤炭资源采出率, 改善煤矿安全生产条件, 解决“三下”煤炭资源开采问题, 保护矿区生态环境, 并使煤矿固体废弃物得以资源化。

3 膏体充填技术应用实例[3]

邢台矿7606充填工作面处于工业广场煤柱内, 走向长度为460m, 倾斜长度为50m, 可采储量11.7万t。7606工作面从2008年12月17日正式试采, 到2009年5月24日结束, 累计采出原煤11154万t, 充填矸石粉煤灰地面固体废弃物1216万t, 实际充填率达到98%以上, 生产效率每工作面达到22t, 矸石充填开采成本较低, 每吨增加成本在50至55元左右, 创直接经济效益4400万元。

结束语

随着煤炭市场需求的不断增加, 开发“三下”及深层煤炭资源证逐渐受到重视, 如何找出一种既经济又环保的采煤方法极为重要。膏体充填技术不但能有效解决“三下”及深层煤炭资源的开采问题, 而且能够使废物得到充分利用、变废为宝;不仅有利于煤炭行业经济的发展, 而且对环境起到保护的作用, 实现经济与环境保护的双赢局面。鉴于膏体充填技术的优点及以后不断的发展, 它必将在煤矿充填开采领得到越来越广泛的应用。

参考文献

[1]姜寄.煤矿充填站应用和前景的探讨[J].黑龙江科技信息, 2009:58.

[2]张洪军.建筑物下开采采空区膏体充填技术及应用[J].煤炭技术, 2010, (6) :90-91.

充填体强度 篇7

关键词：漂白处理,微渗漏

牙体组织进行充填修复后,充填体边缘微渗漏的发生是影响充填体长期有效的重要因素,如何减少微渗漏的发生,学者们也进行了大量的研究[1]。随着漂白治疗技术在临床实际工作中的推广,一部分进行漂白治疗的患者口腔中已存在树脂充填体,漂白处理是否会增加已有树脂充填体的边缘微渗漏,相关的研究较少,本实验旨在研究35%过氧化氢漂白凝胶对树脂充填体的影响,为临床提供相应的理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料及仪器

符合实验条件(完整无龋损、无隐裂,近1 个月内因正畸或冠周炎反复发作而拔除)的上颌第三磨牙40 颗;复合树脂、SE BOND粘接剂(Kuraray,日本);35%冷光美白凝胶 (Beyond,美国);黑色指甲油(艳庄,国产); 2%亚甲蓝溶液;冷光美白仪 (PolusTM,国产);恒温水浴箱 (XMTD- 8222,国产);体式显微镜 (SMZ1000,Nikon,日本);光固化机(Dentsply QHL75,美国);抛光套装(松风,日本)。

1.2 样本的制作及分组

水雾冷却下,距离体牙颊面釉牙骨质界2 mm处制备大小为2 mm×3 mm×2 mm的长方形Ⅴ类充填洞,用SE BOND 粘接剂处理、复合树脂分层充填并光照固化;按要求抛光后随机分为4 组:A 组、B组、C组和 D组(n=10)。

1.3 样本的处理

1.3.1 漂白处理 将漂白凝胶按产品说明均匀涂布于树脂充填体及周围1 mm范围内,按照不同的漂白处理方法进行处理(表 1)。

1.3.2 冷热循环 将样本置于恒温水浴箱中进行冷热循环:1 个水浴箱设定温度为55 ℃,另一个设定为5 ℃,每个水浴箱中停留30 s,然后马上进行交换,转移时间不超过5 s,循环500 次。

1.3.3 染色处理 将充填体及周围1 mm外均匀涂布2 层指甲油,干燥后置于2%亚甲蓝溶液中进行染色24 h。

1.3.4 微渗漏程度观察 沿样本的颊腭向纵向剖开,置于体式显微镜下放大20 倍观察并依据下列标准记录: 0:染料没有渗入充填材料与洞壁的临界面; 1:染料渗入充填材料与洞壁的临界面深度小于1/3; 2:染料渗入充填材料与洞壁的临界面深度达到2/3; 3:染料渗入充填材料与洞壁的临界面的深度超过2/3,达到洞底部; 4:染料渗入充填材料与洞壁的临界面的全部并达到洞底部。

1.4 统计分析

应用SPSS 17.0统计分析软件包对实验数据进行统计分析,采用Kruskal- Wallis方法对实验结果进行检验, Mann- Whitney法对组间进行两两比较,检验水准α=0.05。

2 结 果

4 个实验组充填体边缘微渗漏程度情况见表 2。采用Kruskal- Wallis检验对4 组微渗漏数据进行分析,得出实验组之间的差异有统计学意义(P<0.05)。 Mann- Whitney方法进行组间两两比较结果见表 3。

3 讨 论

微渗漏是指存在于充填材料与牙体预备窝洞之间的能使液体、细菌、分子或离子甚至空气等可以进入的通道。微渗漏的存在使得口腔有害物质通过此处进入牙体组织与充填材料之间导致充填体材料边缘变色、继发龋、牙髓过敏,甚至充填体松动、脱落,导致治疗失败[2]。

随着牙齿漂白技术的广泛应用,漂白处理对树脂充填体边缘微渗漏的影响已引起国外学者的关注,但主要是关于修复前髓腔漂白对微渗漏影响的研究[3,4,5]。Yazici[3]在牙体组织漂白处理之后进行充填修复研究中,得出漂白处理对充填体的边缘封闭性产生了不利的影响。Moosavi[4]在采用15%过氧化脲进行处理后,发现树脂改良型玻璃离子充填体的边缘微渗漏程度明显增加,建议漂白处理后重新更换充填体以达到良好的边缘封闭性。

本实验结果显示漂白处理使树脂充填体的边缘微渗漏的程度增加, 4 个实验组中充填体边缘微渗漏的程度差异有统计学意义,这个结果与以往学者的研究结果相一致[3,4]。对采用树脂类充填材料进行充填修复治疗之前进行漂白处理的相关研究中,学者们指出残留在牙体组织粘接界面上的氧自由基挥发改变了粘接界面和树脂的特性[6],树脂材料单体聚合反应受阻,致使树脂突稀少[7],牙釉质钙离子丢失从而导致粘接强度降低,进一步导致微渗漏的发生。本实验在充填治疗后进行漂白处理,充填体与牙体组织的粘接表面暴露于漂白凝胶下,过氧化氢的强氧化作用在牙体组织与树脂充填体表粘接界面处发生作用,导致粘接层的破坏进而引起微渗漏程度的增加。

参考文献

[1]吴清柱.口腔临床充填材料边缘微渗漏的研究[J].实用口腔医学杂志,2005,21(1):111-113.

[2]Bullard RH,Leinfelder KF,Russell CM.Effect of coefficient of thermal expansion on microleakage[J].J Am DentAssoc,1988,116(7):871-874.

[3]Yazici AR,Kele爧A,Tuncer D,et al.Effect of preresto-rative home-bleaching on microleakage of self-etch adhesives[J].J Esthet Restor Dent,2010,22(3):186-192.

[4]Moosavi H,Ghavamnasiri M,Manari V,et al.Effect ofpostoperative bleaching on marginal leakage of resin compo-site and resin-modified glass ionomer restorations at differentdelayed periods of exposure to carbamide peroxide[J].JContemp Dent Pract,2009,10(6):E009-16.

[5]Rahimi S,Shahi S,Kimyai S,et al.Effect of calcium hy-droxide dressing on microleakage of composite restorations inendodontically treated teeth subsequent to bleaching[J].Med Oral Pathol Oral Cir Bucal,2010,15(2):e413-e416.

[6]Gonzalez-López S,de Medeiros CL,Defren CA,et al.Demineralization effects of hydrogen peroxide on bovineenamel and relation to shear bond strength of brackets[J].JAdhes Dent,2009,11(6):461-467.