煤系固体废弃物用作充填材料改善煤矿安全和环境状况

煤炭生产造成了人员伤亡、煤矸石堆积和地表塌陷等问题,煤炭消费带来了粉煤灰的污染问题。在分析目前解决这些问题的措施及存在不足的基础上,提出了似膏体充填采空区的新思路,对利用煤系固体废弃物(煤矸石和粉煤灰)配制似膏体充填料浆进行了实验研究。结果表明似膏体充填采空区可达到处理煤系固体废弃物、改善采煤工作面安全状况、减轻地表塌陷等3个目标,似膏体充填料浆的成本仅为目前金属矿山充填料浆的50%左右。     

膏体充填料浆管道自流输送分析及管线布置

自流充填具有充填效率高、工艺流程简单等优势,但膏体充填料浆由于浓度高,管道输送阻力大,易发生堵管等输送风险,因此,膏体充填料浆自流充填难度大。为了使膏体充填料浆实现安全可靠的自流充填,简化充填工艺流程,节约充填成本,本文以探究膏体料浆自流充填的可行性、确定膏体充填料浆自流充填条件为研究目标,通过试验确定合理的充填工艺参数,从而制备了均质性较好的膏体充填料浆,计算了膏体充填料浆在管道输送中的阻力,论证了膏体充填料浆自流输送的可行性,确定了膏体自流充填最大允许倍线。并根据膏体充填料浆的基本参数,结合膏体料浆管道输送的特性及井下实际生产情况,优化了充填管道布置。经生产实践验证,膏体充填料浆的自流充填能力由原先的50m~3/h提高到了110m~3/h,且生产运行过程中,膏体充填料浆管道输送系统稳定可靠,料浆管道输送流畅,能够满足膏体充填料浆自流输送需求,极大提高了充填效率,简化了充填工艺流程。     

分层同采综采充填回采可行性分析与工艺研究

8309工作面三、四分层工作面采用充填的方法控制采空区顶板,太平煤矿膏体充填料浆由泗河砂、电厂粉煤灰、胶结料和水配制而成。在地面配制成浓度为80%的料浆,通过管道泵送到井下,紧随回采工作面后方及时充填全部采空区。     

全尾砂似膏体充填参数优化及设备优选研究

为了处理枨冲矿区的采空区,实现矿区浅部残矿和深部矿体的安全高效回采,提出采用全尾砂似膏体胶结充填法处理采空区。首先通过室内试验确定了全尾砂胶结充填料的浓度、灰砂比等充填料浆参数;然后在充填料浆参数的基础上,根据不同机械设备工作原理和参数,以料浆连续制备为基础优化选择了充填料浆制备设备,为矿区高效充填提供基础研究数据。     

武里蒂卡金矿膏体充填料输送性能试验研究

膏体充填以其高浓度、无脱水、低水泥耗量等优势而广受国内外地下矿山的推崇,但同时也存在膏体输送管道阻力大、管道易堵塞的问题,为给矿山膏体输送系统提供设计依据,开展膏体充填料浆输送性能试验研究就显得十分必要。哥伦比亚武里蒂卡金矿拟采用全尾砂膏体充填,全尾砂膏体充填需求量60 m3/h～100 m3/h。本文通过坍落度试验研究分析充填料浆和易性并初步确定膏体态充填料浆的浓度范围,约为68%~70%。以此为基础,利用流变仪测试充填料浆的屈服剪切应力与黏性系数,计算得出管道单位长度充填料浆流动阻力,并结合矿山膏体输送条件,确定了武里蒂卡金矿的膏体输送参数。研究表明,充填料浆浓度宜选定66%~68%,推荐井下充填管道内径150 mm,相应膏体输送阻力2.69~5.74 kPa/m,采用10 MPa膏体输送泵可将充填料浆水平输送1.7~3.7 km,能够很好地满足矿山充填系统膏体输送的需求。膏体充填料浆输送性能参数及其确定方法可为类似地下矿山充填系统建设提供参考与借鉴。     

膏体充填料浆超细颗粒与流变特性关系研究

膏体充填料浆一般是使用尾砂和粗颗粒骨料制备的混合料浆体,充填材料的级配对料浆的流变特性有极大的影响。为了使研究更客观、更具有普适性,基于水力粗度定义了超细颗粒的粒径。基于流变试验结果进行相关性分析,得到超细颗粒的含量与膏体充填料浆的塑性黏度呈正相关;粗骨料的含量与膏体充填料浆的屈服应力呈正相关。建立了膏体充填料浆流变特性的回归分析模型,进一步验证了使用水力粗度定义超细颗粒的正确性。     

基于 L管实验的全尾砂膏体流变特性研究

膏体的流变特性是影响膏体管道输送的重要因素。为获取膏体充填料浆真实的输送流变特性，利用 L 管实验装置，基于宾汉塑性模型获得膏体料浆的屈服应力及塑性粘度，得到不同料浆浓度和灰砂比条件下的管道输送阻力和充填倍线。结果表明：料浆浓度和灰砂比的上升都会导致剪切应力的增加，充填倍线的降低，其中，料浆浓度是影响充填体流动特性的最关键因素，而灰砂比是影响膏体强度的关键因素，但是膏体浓度的影响也不能忽视。根据 L 管和强度特性实验结果以及一二步骤采场的强度和输送需求，分别推荐了采场最佳膏体配比。     

全尾砂膏体充填工艺在因民铜矿区的应用

针对因民铜矿采空区治理难题,根据充填料特性、膏体要求和充填工艺技术要求,采用全尾砂膏体充填工艺,选择高效节能的充填设备,如深锥浓密机、自适性膏体充填泵液压系统,以及采空区充填技术措施,取得了较好的效果,为老矿山采空区治理、防治地质灾害提供借鉴。     

粗骨料膏体充填料浆流变特性与管道输送阻力计算

通过粗骨料膏体充填料浆流动性及泌水率试验,测试了粗骨料膏体流动性及泌水率,确定了粗骨料膏体可实现管道输送的质量浓度范围,并理论分析建立了基于流变参数计算粗骨料膏体料浆管道输送阻力数学模型;同时,在可实现管道输送粗骨料膏体料浆质量浓度范围内,采用美国Brookfield公司的RST-SST型软固体流变仪测试了不同浓度、灰砂比条件下的粗骨料膏体料浆流变参数;结合管道输送阻力数学计算模型,计算不同浓度、灰砂比、管径及流量条件下的粗骨料膏体料浆管道输送阻力;最终根据计算结果及矿山生产情况,选取了最佳的粗骨料膏体料浆管道输送参数,为粗骨料膏体充填料浆管道安全、可靠输送提供了支撑。     

膏体充填液压支架工作阻力确定

利用煤矿膏体充填开采工作面覆岩运动规律,指出膏体充填液压支架应能支护顶板和平衡膏体充填料浆侧向压力,提出了膏体充填液压支架工作阻力的计算方法,膏体充填工作面液压支架工作阻力观测与计算值基本相符,为膏体充填液压支架设计提供了相应的参考。     

某金矿全尾膏体充填与排放联合处置技术

针对国内某金矿原分级尾砂胶结充填存在的采场充填料浓度低、水泥耗量高以及尾矿库库容不足等诸多问题,对充填系统进行优化改造,提出了一种基于深锥浓密机的全尾膏体充填和堆存联合处置方案。改造后的充填系统运行过程中,选厂全尾砂经泵站打入深锥浓密机。需要充填时,深锥底流经两段卧式搅拌机与水泥混合,制备出膏体自流或泵送至采场。不需要充填时,底流由柱塞泵泵送至尾矿库进行膏体堆存。通过计算和实践证明：改造后的方案可节约充填成本1 399万元/a,节约尾矿排放成本1 040万元/a;尾矿排放浓度由35%提高至68%以上,增加了尾矿的堆积角,提高了尾矿库服务年限。全尾膏体充填和堆存联合处置方案可以很好地同时解决采空区充填和尾矿堆存2个难题,具有巨大的经济和社会效益,符合“绿色矿山”的建设理念。     

矸石浆体充填空间特征研究与工程实践

煤矸石浆体充填是一项顺应煤炭绿色可持续发展、响应国家环保政策的矸石绿色处置新技术。宏观的破碎空间特征与微观的空隙特征是决定矸石浆体充填效果的关键,为建立浆体充填基础理论体系,采用理论分析、模拟实验与现场工业实验结合的方法,揭示了浆体充填空间覆岩运动规律,探索了破碎空间内可供浆体充填的空隙分布特征,明确矸石浆体-采空空隙的作用关系。研究表明,采动过程中控制岩层是影响浆体充填空间范围的关键,“拱-梁-壳”的空间演化过程分别对应浆体充填空间的自由堆积区、载荷影响区及压实区,直接决定矸石浆体充填效果;采空区内垮落岩体的孔隙率沿倾向、走向及垂向均满足负对数函数关系,据此建立了浆体充填空间空隙分布模型,并确定浆体充填的重点区域;通过开展地面原位注浆充填试验,证明了矸石浆体在采空空间的可充填特性,阐述了矸石浆体-采空空隙的作用过程普遍经历了初始流淌、垂直涌流及水平扩散3个阶段;在黄陵二号煤矿井下针对浆体充填空间自由堆积区与载荷影响区开展了矸石浆体充填工程实践,成功验证了井下矸石浆体充填技术的可行性及理论的正确性,为矸石绿色处置提供了新的依据。     

新型矿用无机固化泡沫防灭火材料性能研究

矿井采空区煤自燃引起的火灾直接威胁着我国煤矿的安全开采和高效生产,而封堵采空区漏风通道是防治采空区煤自燃最有效的方法。探讨了无机发泡固化膏体充填材料组分速凝剂、发泡剂对其强度的影响,分析了增强剂的作用机理。结果表明:新型矿用无机固化泡沫材料的凝固速度与速凝剂的含量成正比;发泡倍数为10的充填材料连续固化7 d的抗压强度在1.7MPa以上;材料中存在的大量气泡形成无数均匀的缺陷,且增强剂使膏体浆液中的铝氧成分大规模快速地与水泥成分发生反应生成优良的水化矿物钙矾石,使材料受力时其总体结构不变化,中部不会产生裂隙而有效封堵火区裂隙,隔绝氧气。     

膏体充填管道输送阻力损失计算方法

针对云南会泽铅锌矿膏体充填,进行了充填料浆流变特性研究,并对其流变参数与浓度的关系进行了分析,建立了两者间的数学关系式,进而建立了会泽铅锌矿膏体充填料浆管道输送阻力损失计算的经验公式。经生产验证,该公式具有较好的实用性。     

充填料浆管道输送流体力学分析及流速计算

随着社会的发展和科学技术的进步,充填采矿法逐渐成为金属矿床地下开采的主要采矿方法。其充填方法有水力充填、高浓度充填、膏体充填等。对充填管道输送中充填料浆的运动状态和流变特征进行分析,介绍了料浆输送临界流速的几种计算公式。     

矸石似膏体充填料浆临界流速影响因素研究

为探究矸石似膏体料浆在管输过程中的流变参数的影响因素,以公格营子矿矸石似膏体充填料浆为工程背景,使用CRT流变仪测试了不同浓度、矸石颗粒粒径下的矸石似膏体充填料浆的流变参数,运用流体力学和粒状物输送水力学分析了矸石颗粒在似膏体料浆的受力情况,运用Fluent软件对管道输送过程中不同流速、矸石粒径以及料浆浓度下的料浆流动状态以及粒子运动轨迹进行了模拟验证。结果表明,矸石似膏体料浆的矸石颗粒粒径大小和浓度会影响料浆的塑性粘度和初始切应力,进而对管道输送的临界流速产生影响。具体表现为在管输过程中,矸石粒径为15mm、20mm、较5mm和10mm更易下沉,料浆浓度达到76%时,料浆初始切应力增幅会出现急剧增加,随着料浆浓度增大,管输过程中矸石颗粒更不容易沉降。     

硫化钠对某铅锌矿充填膏体凝结性能的影响

某铅锌矿全尾砂膏体充填料浆水化凝结迟缓,严重影响充填作业进程;同时粗骨料充填浆体容易出现骨料下沉而导致的浆体离析现象,严重影响充填浆体的质量。通过建立骨料在浆体中的力学模型,研究硫化钠掺入某铅锌矿全尾砂膏体料浆后对其水化凝结性能的影响。先将硝酸锌按照不同的比例掺入全尾砂膏体混合料浆,经过试验发现全尾砂中的锌离子对料浆的凝结起到了延缓作用。在此基础上,通过掺入不同比例的硫化钠配制膏体料浆,观察到硫化钠对料浆具有促凝的效果,并且随着硫化钠添加量的增加,膏体料浆初凝时间近似地呈线性递减规律。同样硫化钠的加入增加了膏体凝结后试块的7、14、28 d强度,得到膏体凝结试块最大强度下硫化钠的添加量范围为1%～1.5%。分析得出：硫化钠中的硫离子结合了料浆中大量的锌离子形成硫化锌沉淀,硫离子水解创造的碱性料浆环境共同促进了膏体的水化和凝结进程。     

采空区膏状充填体在线监测系统研制

作为实现“绿色开采”的主要技术手段和当前解决“三下一上”压煤问题,控制地表沉陷效果最好的矸石膏体充填开采技术,其充填效果评价过去一直采用的是地表岩移观测的方式,但是采用地表岩移观测的方式周期往往较长、费用较高、劳动量大。为此,基于KJ216顶板压力在线监测系统,研制了采空区膏状充填体在线监测系统。对采空区膏状充填体长期受力、变形和水化程度进行长期监测,综合评价充填效果。实践证明该系统现场应用效果良好。