高水巷旁充填材料力学性能改进试验研究

针对高水充填材料在沿空留巷工程中可压缩率低、韧性差而易被压裂、破坏等问题,对高水充填材料进行性能改进试验,研究不同掺量发泡剂,不同纤维长度及掺量对材料膨胀率和强度的影响,并进行正交试验,同时对改进前后的高水充填材料进行力学性能和微观形貌对比分析。结果表明:水灰比1.5∶1、发泡剂掺量0.03%、聚丙烯纤维掺量0.6%以及复合早强剂掺量1%,是高水充填材料具有良好均匀性、膨胀性及强度等综合特性的最优配比,该配比下高水充填材料可压缩性和整体性大大改进;改进后试样内部密集分布气泡、穿插纤维;外加剂对高水充填材料主要水化产物钙矾石等承载结构无不良影响。     

抑制煤炭自然发火注浆堵漏材料的性能研究

针对矿用注浆封堵材料的缺点,如黄泥灌浆材料容易产生裂缝,堵漏风效果差,罗克休、膨胀水泥等材料价格昂贵、含挥发性溶剂,对人体有毒害作用,研制出一种新型的注浆堵漏材料,该材料以水泥为基料,添加减缩剂、聚丙烯纤维、水玻璃、增稠剂。通过试验测试了不同水固比下浆体的粘度、流动度、凝结时间、结石率等性能参数,并利用电镜扫描对浆体的微观结构进行观察,进而确定最佳水固比。研究结果表明,抑制煤炭自然发火注浆堵漏材料的最佳水固比为1:1.4;当聚丙烯纤维的掺量为0.25%,水玻璃的掺量为2.5%时,结石体的微观结构紧致,裂隙较小,满足堵漏风材料的要求。     

复掺轻骨料纤维喷射混凝土力学及导热性能试验研究*

为有效隔绝高地温公路隧道、深部高温巷道施工过程中的围岩散热,利用正交试验方法,以不同复合陶粒、陶砂掺量、聚丙烯纤维为影响因素,设计出1种隔热效应的轻骨料纤维喷射混凝土（Lightweight Aggregate Fiber Shotcrete,LAFS）,进行含水率、抗压、劈裂抗拉及导热性能试验,并借助X射线衍射、扫描电镜对LAFS进行机理分析。结果表明:3种因素对LAFS力学及导热性能的影响程度均为陶粒掺量>陶砂掺量>聚丙烯纤维掺量,本试验条件下,复合双掺陶粒、陶砂分别取代石子、砂子的最佳体积率为12%,6%,聚丙烯纤维的最佳掺量范围为0.2%~0.3%。建立的LAFS各性能预测模型可为工程应用LAFS确定其配比时提供试验依据。     

铅锌尾砂胶结充填材料优化配比正交试验

为优化铅锌尾砂胶结充填工艺参数,提高充填体的强度指标,采用正交试验方法分析料浆质量分数、灰砂比、粉煤灰掺量对充填体坍落度、泌水率和单轴抗压强度的影响,并确定充填材料的最优配合比。试验结果显示:料浆质量分数是影响充填体坍落度和泌水率的主要因素,料浆质量分数为74%时,坍落度为18.2~21.0 cm,料浆质量分数为74%时泌水率最低(≈1%);充填体7天和28天单轴抗压强度与料浆质量分数及灰砂比呈正相关关系,与粉煤灰掺量呈负相关关系。综合考虑坍落度、泌水率和单轴抗压强度后得出试验结果,铅锌尾砂胶结充填最优配合比为料浆质量分数74%、灰砂比1:6、粉煤灰掺量15%。     

生活污泥灰水化活性激发试验研究

为实现生活污泥灰的大规模资源化利用,研究了机械粉磨、微波辐照和外加剂对污泥灰活性的影响,采用激光粒度分析、X射线衍射、热重分析及扫描电镜等仪器对生活污泥灰及水泥复合试样进行表征.结果表明:与未处理的污泥灰相比,机械粉磨后的污泥灰体积密度峰值对应的颗粒粒径减小,比表面积增大,水化活性得以提高.微波辐照促使生活污泥灰发生熔融反应,生成以矽钙石(rankinite)和铝酸一钙为主的活性矿物,且污泥灰的水化性能大幅增长.复掺外加剂对生活污泥灰的激发效果优于单掺,当NaCl掺入质量分数为1.5％,三乙醇胺(TEA)掺入质量分数为0.03％时,污泥灰-水泥试样3 d抗压强度最大,相比空白样提高110％.复合外加剂的掺入促使更多生活污泥灰及水泥颗粒参与水化反应,并生成水化氯铝酸钙晶体包裹于层状的水化硅(铝)酸钙凝胶中,形成密实的微观结构,以提高污泥灰-水泥试样的早期抗压强度.     

钢渣在复合胶凝材料水化过程中的作用机理研究

在相同掺加比例、相同水胶比条件下,通过测试胶砂试块力学性能、浆体Zeta电位、水化反应热及硬化浆体微观分析,对比研究了具有相同细度的钢渣粉与惰性掺合料石英粉对于复合胶凝材料水化硬化过程与技术性能的影响.试验结果表明,钢渣在复合胶凝材料中积极地参与水化反应过程,水化反应迅速,水化产物均匀交错,凝胶结构致密,形成的水泥石力学性能好.     

烧结条件对焚烧飞灰烧结特性的影响研究

对垃圾焚烧飞灰在高温箱式电阻炉中进行烧结实验,考察烧结温度、时间及成型压力对烧结体理化性质(抗压强度、烧失量、体积变化率、密度变化率)的影响.结果表明,烧结温度在1 080～1 100 ℃范围时,烧结温度、时间、成型压力对烧结体各种理化性质的影响各不相同.烧结试体的抗压强度、烧失率、体积变化率和密度变化率随烧结温度的增加而明显增大,且随烧结时间的增加而增大;抗压强度和密度变化率随成型压力的增大而增大,烧失率和体积变化率却随成型压力的增大而减小.     

碳纤维混凝土的耐火性能试验测试与分析*

为研究不同碳纤维体积掺量（0，0.2%，0.6%，1%，1.5%，2%）对混凝土耐火性能的影响，考察不同温度环境下（20，60，100，300，500，800 ℃）的混凝土质量损失率与抗压强度损失率的变化情况；分析高温环境下混凝土的静置时间（0，1，3，7，12 h）对混凝土抗压强度损失率的影响。结果表明:随着碳纤维掺量的增加，混凝土质量损失率与抗压强度损失率呈现先下降后增加的趋势，其纤维掺量的拐点为1%；随着环境温度的上升，纤维混凝土的质量损失率与抗压强度损失率逐渐增加，并呈非线性增长趋势。随着静置时间的增加，混凝土抗压强度损失率逐渐增加，且呈非线性增长趋势。     

超细粒级浸出渣充填配比试验研究

为了探究超细粒级浸出渣与分级尾砂混合作为充填骨料的充填体强度能否达到凡口铅锌矿井下充填的要求,开展了浸出渣与分级尾砂的充填配比试验。通过充填配比试验,分析不同配比和质量分数的充填料浆的流动性和充填体强度特性。结果表明:质量分数对充填体强度的影响较大;灰砂比、质量分数越大,充填体的强度越高;在一定范围内,增加浸出渣的用量可提高充填体的强度;扩散度可以很好地反映充填料浆的流动性,充填料浆的流动性随质量分数增加而减小,当质量分数较高时增加水泥用量可提高充填料浆的流动性,增加浸出渣含量会导致充填料浆的流动性降低。根据凡口铅锌矿充填技术要求及室内充填配比试验结果,得出不同部位的最佳充填配比:矿房采场的最佳灰砂比、浸出渣与分级尾砂之比、质量分数分别为1∶6、1∶5、71%,间柱采场为1∶6、1∶6、69%,首层和浇面为1∶3、1∶6、71%。     

综放沿空留巷顶板下沉及其影响因素研究

控制顶板下沉是综放沿空留巷成功的关键,为研究综放沿空留巷顶板下沉规律,根据能量守恒和损伤力学的理论,建立了综放沿空留巷顶板下沉损伤力学模型,推导出顶板下沉量的计算公式,并分析了顶板下沉量与其15个影响因素的定量关系。结果表明:直接顶、顶煤、巷旁支护体的有效弹性模量三者耦合,大部分顶板下沉量由有效弹性模量较小者吸收;顶板下沉量随支护体宽度增加而降低,支护体宽度达4 m左右时,下沉量基本保持不变;顶板下沉量随巷道宽度、采高、顶煤厚度和直接顶厚度增加而增加;顶板下沉量随关键块给定载荷的增大而急剧增加。关键块参数对顶板下沉具有决定作用,提高巷旁支护强度,可减小关键块破断长度和回转角,使关键块破断位置靠近巷旁煤壁,有效减小顶板下沉;巷内支护阻力、直接顶容重和顶煤容重对顶板下沉量影响较小。     

水化煤饱和-风干过程的自燃特性实验研究

为了掌握水化煤饱和-风干过程中不同风干时间煤样的自燃特性,对水化煤样进行不同风干时间的实验煤样预处理,形成不同风干时间的水化煤样。通过煤样含水率测试、物理吸附实验和程序升温实验,对不同饱和-风干时间的水化煤样以及原煤样的吸氧量和CO,CO2,CH4,C2H4,C2H6,C3H8气体浓度随煤温的变化规律进行实验研究。研究结果表明:不同风干时间水化煤样随着煤温的逐渐升高,吸氧量呈先减小后增大趋势;不同风干时间的水化煤样的自燃标志性气体析出速率随煤温的升高均呈指数增大的变化趋势;在低温氧化阶段,水化煤样比原煤反应时间提前,且反应速率更快,这表明水化煤样比原煤样更加容易发生自燃,且风干时间为20 min的水化煤危险性更大。     

热电厂炉渣作为煤矿膏体充填材料的配比试验研究

为了寻求既满足充填工艺要求又能够降低成本的新型充填材料，通过一系列试验，研究了热电厂粉煤灰/炉渣比例、膏体质量浓度和水泥含量等因素对膏体充填材料性能的影响规律，据此确定了材料最优配比。结果表明:随着粉煤灰/炉渣比例的增加，坍落度、扩展度和充填体强度均呈现先较大幅度增加然后又缓慢减小的变化趋势，料浆泌水率呈近似负指数规律降低；随着质量浓度的增加，坍落度、扩展度及泌水率均随之显著变小，充填体强度近线性增大；随着水泥含量的增加充填体强度随之显著增大，坍落度、扩展度和泌水率均呈现缓慢减小的变化趋势；材料的最优配比为粉煤灰、炉渣和水泥的质量比为 20∶48∶6，质量浓度为 74%，此时料浆流动性和充填体强度完全符合充填开采基本要求。     

煤层瓦斯压力测定的合理封孔注浆压力研究

煤层瓦斯压力测定是煤矿安全生产基础参数测定的重要内容之一,测压成功的关键是封孔技术。当围岩裂隙较发育时需要采用压力注浆封孔,注浆压力就成为封孔的技术关键。为了确定一定围岩岩性条件下的合理封孔注浆压力,采用数值模拟的方法对测压钻孔塑性区大小进行了仿真模拟,并根据浆液渗流规律和钻孔围岩性质之间的关系建立了浆液流动数学模型,得出了合理的注浆压力为4MPa,结合新型“两堵一注”囊袋式封孔装置与CPD8M型煤层瓦斯压力自动测定仪进行了现场应用,结果表明4MPa的注浆压力满足平煤十三矿试验现场围岩条件下的封孔要求,对同类条件下瓦斯压力测定具有一定的指导意义。     

瓦斯抽采PC-CAS基封孔材料优化及其膨胀作用分析*

为了研制以硅酸盐/铝酸盐水泥、生石灰、生石膏为主的PC-CAS基封孔材料，采用正交试验优化材料配比、开展膨胀力研究，并用扫描电镜观测料-煤胶结形貌。研究结果表明:材料的最优配比为A2B2C4，其具备优良的流动性、强度及致密性，造浆量达2 100 mL/kg；PC-CAS基材料具有显著的膨胀性，其膨胀力随时间先增大而后趋于稳定，并且该膨胀力随着径向约束的提高而增大；相比于FP材料，PC-CAS基材料产生的膨胀力能够显著降低材料-煤岩界面的空隙并在一定程度上压密煤体内部的裂隙；该材料产生的膨胀力可压密封孔段围岩、提高封孔质量，并为后期“二次注浆”提供保压条件。工业试验结果表明，采用PC-CAS基材料进行封孔可显著改善抽采效果，将原有平均浓度10.11%提升至20.08%。     

真三轴加卸载煤样声发射长程相关性特征

为模拟井下应力条件，设计固定轴压卸围压试验，得到煤样破裂过程的声发射结果，并计算不同初始围压及不同卸载速率条件下声发射时间序列的长程相关性特征，以期对煤岩体的破裂做出预警。研究结果表明:不同初始围压及不同卸载速率下声发射实验结果类似，根据声发射累计计数可将声发射变化过程分为线性增长期、平静期以及指数增长期，可以很好地反应煤样的破裂过程；随初始围压和卸载速率的增大，声发射时间序列的Hurst指数随之增大，正相关性增强；Hurst指数与分形维数的动态变化与煤样的失稳破裂过程良好对应，且不同初始围压及卸载速率下，Hurst指数与分形维数的动态变化规律类似，说明其声发射时间序列的宏观产生机制具有内在统一性，可将接近破裂荷载时Hurst指数的增大与分形维数的减小作为煤样失稳破裂的前兆信息。     

基于颗粒流数值方法的岩石压剪破坏细观特征研究

压剪破坏是影响岩体工程安全的主要因素,基于颗粒流程序的伺服控制原理,采用等效晶质模型模拟了粉砂质板岩的压剪破坏过程,通过与室内试验对比验证了其适用性,并从细观角度揭示了岩石在压剪过程中的破坏机理。结果表明:裂纹增长速率与试件压剪过程中经历的弹性、塑性和破坏3个阶段具有相关性;张拉、剪切裂纹呈同步增长趋势,但峰后张拉裂纹增长速率快于剪切裂纹,即试件峰后以张拉破坏为主;随剪切角增大,由沿晶和穿晶断裂向以沿晶断裂为主转变,裂纹数量减小且扩展方向向断裂面集中;穿晶断裂的扩展更容易导致局部失稳,即在宏观上表现为塑性阶段;穿晶裂纹主要沿断裂面扩展、贯通,一定程度上可以抑制断裂面附近较大破裂块体的产生。     

风筒位置对掘进巷道流场影响的PIV实验*

为探究风筒位置对掘进巷道风流分布规律的影响,利用Fluent软件确定出实验模型内流体进入“第二自模区”的临界风速,保证实验模型与实际巷道的流动相似,采用粒子图像测速仪（PIV）对压、抽风筒距迎头不同距离下的前压后抽式通风流场进行测量。实验结果表明:抽风筒距巷道迎头距离的改变对迎头处流场影响较小,涡流中心位置也不会发生改变,当抽风筒距迎头距离大于4.5S,回流区的风流充分发展,流动较为平缓。压风筒距巷道迎头距离的改变对迎头处流场和涡流影响较大,当压风筒距迎头距离大于3S,涡流中心位置向远离迎头的方向移动,涡流区域逐渐扩大。基于相似理论的PIV实验结果可为矿井掘进巷道通风工作提供一定参考。     

碳化砂浆轴向冲击动态力学特性与破碎形态分析

为保证长期使用砂浆在动载作用下的安全性，采用非金属超声波检测仪测量不同碳化龄期试件的纵波波速，引入碳化增强因子η表征碳化深度大小，并利用直径50 mm变截面分离式Hopkinson 压杆试验装置开展不同碳化龄期砂浆冲击动态压缩试验，研究碳化后砂浆的动态力学特性与破碎形态，分析砂浆动态应力—应变曲线、峰值应力和破碎形态随碳化龄期变化规律。结果表明:随着碳化龄期的增长，试件波速呈增大趋势，碳化增强因子η增大，碳化深度增加；碳化龄期相同时，砂浆的动态峰值应力、峰值应变都随着冲击气压的增大而增大；冲击气压相同时，砂浆的动态峰值应力随着碳化龄期的增长而增加；试件的破坏形态主要呈现为压碎破坏与劈裂拉伸。     

典型三床RTO设备燃爆危险性数值模拟研究*

为研究苯、甲苯、二甲苯混合废气在三床蓄热式废气焚烧炉内部的燃烧过程,基于FLUENT软件建立典型的三床蓄热式废气焚烧炉的物理模型和数值模型,重点分析进气风量和混合可燃气体-空气摩尔占比对其内部压力变化规律的影响,以期可为其安全设计提供借鉴。研究结果表明:燃烧室内的温度变化与燃烧速度变化保持一致,可通过监测RTO燃烧室内的温度来定性评估气体燃烧速度,随着进气风量的增加,混合废气燃烧速度先升高后下降后再升高;从能源损耗和安全生产2个方面综合考虑,得出RTO运行的最佳进气风量为15 000 m3/h到30 000 m3/h,最佳的混合可燃气体-空气摩尔占比为0.15~0.2,这与RTO实际工况相符合,解释RTO装置内废气积聚导致爆炸事故的原因,燃烧过程中压力出现2次峰值超压,实际生产中需在2个时间节点多加防范。     

基于近场动力学的煤体单轴压缩全过程损伤演化规律研究*

为了研究煤体受压变形破坏情况,采用近场动力学理论、室内单轴压缩实验及数值模拟相结合的方式,演绎推导PD损伤本构力函数,分别在宏、微观2个方面对煤体损伤规律进行研究。研究结果表明:以近场动力学所推导的本构力函数对于复杂裂隙演化过程的研究具有独特优势,煤体受到外荷载作用后内部微结构会产生不同程度的损伤,损伤过程可分为:压密阶段、微裂纹的萌生扩展阶段、断裂破坏阶段;压密阶段后均伴随键的断裂,至破坏阶段时,键几乎完全断裂,导致煤样宏观失稳破坏;模拟模型在受到外载荷作用下,内部能量开始聚集,随着压力的增大,内部能量散开,最终呈“X”型分布,这与实验加载后煤样的损伤效果基本一致,以此来反演煤体内部微结构变化从而得到煤体损伤规律切实可行。