近期,西京學院校級大創項目《利用陜西當地煤矸石制備固廢基充填漿料的關鍵技術與性能研究》課題順利開展并取得顯著成果。該課題小組成員主要由西京學院土木工程學院的蘇瑞雪、郝波博和賀柔等五位本科生組成。

中國幅員遼闊、礦產資源開采普遍,尤其是一個煤炭資源儲藏和利用大國,陜西省更是我國煤炭大省。煤炭資源開采所引發的地表沉陷等地質災害頻發,逐漸嚴重影響我國社會發展和民眾幸福生活,采空區影響與地表沉陷破壞地日益增多與土地資源日漸緊缺之矛盾急劇凸顯;而充填開采在減小沉降(杜絕)沉降和提高資源回收率方面具有突出優勢。可以預想,充填開采必將成為一個重要的新型研究領域,充填材料與充填系統設備是其重點內容,充填材料的安全高效儲運是充填工作面連續化作業的基本保障。

充填效果、充填效率和充填效益("三效")三者之間的關系是充填開采理論設計及工程實施過程中難以回避的問題。固體(即矸石體)充填存在原生矸石級配較差、在固體充填過程中壓縮量大、充實率低等問題,流體(膏體)充填可以很好的解決礦井回填開采中充填效率、充填成本和充填系統的制約;但傳統膏體材料依然受充填系統、充填效率和充填成本的制約,或存在結構死角、滲透性大堵水能力弱等問題。

因而,若能研發流動性隨流速增大而增大的一種流變性能突出的理想型充填材料,即泵動流動過程流動阻力極小、流速降低后有能很快半固體化,實現在采空區的無模堆積,有效應對高濃度大流量充填物料遠距離安全高效儲運面臨的新挑戰,將有助于我國、尤其是陜西省煤炭礦產資源充填開采技術發展和推動礦山固廢利用進程。本項目的研究內容正是基于上述認識提出來的,在細致總結當前工程技術發展和研究現狀的基礎上,開展強觸變性矸石固廢基漿料流變特性和結石體強度特征這一基礎性和前沿性課題研究,能有效應對傳統充填開采技術在高濃度大流量充填物料遠距離安全高效儲運中面臨的新挑戰。

項目首先開展了矸石固廢基漿液材料優化研發試驗,首先以材料組分為因素、各組份不同含量為水平,以漿料成本、觸變性、初終凝時間和齡期強度等為評價指標,采用正交試驗進行材料進一步優化;漿料觸變性采用觸變指數法進行確定(前期研究已經給出了觸變性工程漿液隨靜止時間相關的觸變性評價公式,并對強懸浮性漿液的泌水離析特性測試申請了專利方法);漿料凝固時間依規范采用維卡儀測定。

為進一步考察研發的強觸變漿液的實際堆積效果,特做了堆積物理模型試驗。設計原理為:假設注漿堆積體呈錐臺形,利用微分思想,圓臺/圓錐在軸向取有限長度微元,則該微元體呈矩形體;為避免漿液底部出現避免滑移,將箱體底部黏貼粗砂紙。充填開采過程中,“充填體-覆巖-煤柱”復合承載系統主要承受開采活動引起的采動應力。為給出合理、有效的充填設計理論,提出關鍵充填參數,采用大直徑混凝土三軸儀測定漿液結石體強度,最終總結出矸石固廢基膠結體強度與配比關系,構建矸石漿料結石體在粒料級配、圍壓等多因素耦合作用下的本構方程。采用微觀CT實驗,研究不同荷載水平下矸石固廢膠結體內矸石固廢塊體的壓實變形、顆粒簇分布及顆粒結構形態演化特征,以揭示矸石固廢充填材料壓實變形細觀機理。

本項目所得相關成果不僅對解決工程實踐中面臨的問題具有指導作用,而且對完善和豐富矸石固廢漿料流體流變性和結石體宏觀力學特性基礎理論具有重要意義。