本文是一篇工程硕士论文，本文通过对不同矸石骨料粒径级配方案的应力-应变曲线分析，获得数据，并开展以矿渣粉为基础，添加少量水泥熟料以及脱硫石膏的一种低成本早强早凝的新型胶凝材料，通过正交试验设计获取最佳数据。
第 1 章 绪论
1.1 选题背景及研究意义
1.1.1 选题背景
随着经济社会的发展，煤炭资源消费占比虽有所下降，但仍大于其他可再生能源消费的总和，达到 60%左右，如图 1-1 所示。究其原因还是由于我国“富煤、少油、少气”的资源现状所导致的[1-2]。随着习近平总书记多次强调我国要在 2030年前达到碳达峰，在 2060 年前实现碳中和，但不可否认的是，在今后的十年甚至几十年内，煤炭资源的消费占比仍然会处于领先地位[3-7]。
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图 1-2 是我国近几年的煤炭产量的详细数据，从图中可以看出，煤炭的年产量处于稳步上升，占全球煤炭总产量的 45%以上，虽偶有下滑，但不影响整体趋势。由此可见，我国仍是煤炭的生产消费大国。但是随着许多优质煤炭的开采，许多矿井已临近枯竭，不少煤炭资源处于建筑物、铁路、以及水体下（ “三下”压煤），如何安全有效地开采煤炭资源，并且减小对地表生态的扰动乃是煤炭开采研究的重中之重[8-9]。
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1.2 国内外研究现状
本节重点分析了煤矿固体充填开采以及胶凝材料 2 个方面的国内外研究现状。
1.2.1 煤矿固体充填开采的国内外研究现状
煤矿固体充填开采技术就是利用煤矸石等一些采煤伴生物再重新填充至工作面采空区，在最大程度上降低岩层移动，从而起到保护地表生态的作用[42]。 充填开采技术的发展已经有几十年的经验，已经逐步形成了以膏体充填、高水充填及矸石固体充填为主的充填采煤技术。尤其是在进入 21 世纪以来，随着许多优质煤炭以及可便采煤炭资源的开发，许多矿井已临近枯竭，为了避免停产，计划开采“三下”资源，这使得固体充填技术得到了广泛应用[43-46]。
近年来，为了进一步处理煤矸石等固体废弃物，中国矿业大学[47]在翟镇煤矿直接将矸石用于井下充填，不仅减小了地表下沉，还消除了煤矸石占地紧张的问题，同时还极大程度上解放了煤炭资源，使一些矿井得以延续寿命，也提高了企业的效益。矸石直接充填的骨料为散状固体矸石，这些矸石在液压支架推实力下，通过散体矸石颗粒相互接触，起到支撑上覆岩层的作用。但散体材料具有较为明显的分散性、复杂性和易变性，其颗粒在外加压力下会发生滑移、挠曲、破碎以及滚动，使得原有的散体间的空隙得以被填充[48]。但散状矸石固体仅能在一定范围内保持其堆积形态，且能承受较大的压力与剪力，但不能承受或者只承受较低拉力。散体的强度主要是散体颗粒之间形成的粘结力与摩擦阻力，细颗粒与粗颗粒表面接触所产生的附着力，以及粗颗粒之间的相互咬合力。而且由于自重作用，矸石颗粒沿坡面自然分级对充填效果的影响较为突出，一般而言，细颗粒矸石存在于坡面上方，而粗颗粒则由于自身重力会滑落至坡面底部，这就导致了各部位力学特性存在差异[49-50]。
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第 2 章 固体充填矸石骨料粒径级配研究
2.1 固体充填对充填体性能要求分析
充填采煤法主要是用来保护地表沉陷，降低采煤对地表生态环境的破坏。本节着重分析了充填体的作用机理以及充填后岩层的力学结构模型，然后对充填体早期以及后期强度性能进行了分析，并计算出充填体强度的理论值，为试验提供支撑。
2.1.1 充填体作用机理
随着煤炭资源的采出，不可避免地会形成一个采空区，由于在采空区上方的上覆岩层失去了原有的平衡状态，处于悬空状态，且受限于外界压力以及自身重力的影响，会造成岩层塌落、下移，进一步引起地表沉陷现象。固体充填开采技术就是利用矸石等工业废弃物混以胶凝材料来置换煤炭资源，充填体的强度以及密实率充填越高，最终固结成型对岩层的支撑效果越好，从而使岩层不垮落，地表沉陷变形小，也能降低安全隐患等问问题。 随着充填采煤技术的逐渐成熟，一些专家学者对其作用机理研究的理论也日渐丰富。有关充填体的力学作用机理也被普遍认同。
（1）支撑采空区顶板：地下煤炭资源的开采势必会产生采空区，可在移动液压支架后以及往采空区充入充填材料，并在短时间内快速凝结并形成强度，以达到支撑顶板的作用。从而减小了顶板破碎程度，避免了上覆岩层下移，使地表发生沉陷变形。
（2）改善采空区围岩应力分布：在煤炭被开采之后，地下岩层处于不稳定状态，势必会出现应力集中现象。固体充填就是在顶板还未破碎变形前，将充填物料填入采空区，相当于替换原先煤炭，使其尽量保持原先状态，从而缓解采空区围岩的应力分布。
（3）对上覆岩层能量释放起到缓冲作用：煤炭被采出之后，由于平衡状态被打破，导致岩层移动变形，当采空区被充实后，留给上覆岩层的可移动空间便被压缩，从而使采动引起的周期来压步距在距离上被进一步拉长。使矿山压力造成的破环变小。从能量角度来讲，就相当于降低了能量的释放。 总的来说，固体充填开采就是用工业废弃物来置换煤炭，采空区上方岩层在充填体支撑作用下，使得围岩的应力分布相对来说变小，在一定程度上缓解地表沉降。因此，为了最大程度上减小上覆岩层下移，保证井下作业安全以及保护地面建筑物，就是要在采空区尽可能多地充入更多矸石物料，也就是尽可能大地增加充填率，即采出多少充入多少。
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2.2 固体充填材料的选择
2.2.1 充填物料的选取原则
随着近些年对环境保护提出了更高的要求以及国家对绿色发展的重视，在对充填物料的选取上应该以工业固废为主，并且要具备以下四项原则：
（1）安全原则
安全问题是进行一切生产的前提，只有保证人身安全，才能够保证正常作业，尤其是对煤矿企业来讲，井下生产本身就是一个高危行业，因此再对于充填物料的选取上，应该保证充填后可以对岩层起到很好地保护作用，不会出现顶板大面积垮落的现象，引起不必要的安全问题。
（2）环保原则 随着煤炭行业的发展，也引起了一系列的环境问题，像煤矸石的大量堆积成山，引起对土地以及空气的污染问题，包括一些工业固废，比如矿渣、脱硫石膏等，都会对环境造成一定的负担。因此在充填物料的选取上，应当以这些工业固废以及煤矸石为主，既能使固废资源化，也能降低其对环境造成的污染问题。
（3）来源充足原则
对于煤矿固体充填开采来讲，对充填物料的需要量一定很大，因此所选取的充填物料一定要具备来源充足的原则，用以满足矿山充填开采。对于矿山来说，采煤所夹带的矸石以及掘进巷道所产生的矸石均可以作为充填材料，而且工业固废矿渣也是高炉炼铁的副产品，均可作为充填材料。 （4）经济原则 经济效益一直是煤矿企业追求的目标之一，在满足安全生产的条件下，选取一种既能满足充填强度需求，又能尽可能低地降低充填胶凝材料的低成本，则是一个重要的研究方向。
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第 3 章 胶凝材料配比试验及其水化机理研究 ····························23
3.1 实验材料与实验仪器 ····································23
3.1.1 矿渣粉 ·········································23
3.1.2 水泥熟料 ························24
第 4 章 自动配料控制系统设计 ·····························37
4.1 控制系统总体方案设计 ·································37
4.2 系统硬件设计 ·····································38
第 5 章 工业应用 ··································47
5.1 工程概况 ·······································47
5.1.1 矿井概况 ··································47
5.1.2 矿井地质条件 ························47
第 5 章 工业应用
5.1 工程概况
5.1.1 矿井概况
西山煤电东曲煤矿位于山西省古交市，于 1985 年 9 月开始建设，在 1991 年12 月投入生产，占地面积 57.9km2，截至目前剩余服务年限为 76 年。2014 年 10月东曲煤矿正式升级为煤与瓦斯突出矿井（晋煤瓦发〔2014〕1241 号），水文地质类型为中等。该矿 28802 工作面位于麻坪岭村庄东南，埋深 232m～313m，地面标高 1050～1173m，工作面标高 818～860m，工作面具体参数见表 5-1：
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5.1.2 矿井地质条件
（1）地质构造
在整个工作面回采过程中，有 4 条小褶曲存在，分别为皮顺侧距切眼 461m、轨顺侧距切眼 484m，皮顺侧距切眼 739m、轨顺侧距切眼 715m，这两条褶曲为背斜，轴走向分别为 126。~153。、135。；在皮顺侧距切眼 611m、轨顺侧距切眼 600m，皮顺侧距切眼 863m、轨顺侧距切眼 818m，有两条褶曲为向斜，轴走向分别为 135。、109。～131。，对正常充填采煤有一定影响。
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结论
本文主要针对固体充填矸石骨料粒径级配与胶凝材料配比开展研究，为了进一步提高充填体强度，加强对上覆岩层的支撑，降低采煤对地面造成的扰动，从而解放“三下”压煤。通过对不同矸石骨料粒径级配方案的应力-应变曲线分析，获得数据，并开展以矿渣粉为基础，添加少量水泥熟料以及脱硫石膏的一种低成本早强早凝的新型胶凝材料，通过正交试验设计获取最佳数据。并研发了一套自动配料控制系统，实现多源入料以及对生产情况的实时监控。最后以西山煤电东曲矿为背景，展开工业实践，进一步验证了材料的科学性。本文的主要研究成果如下：
（1）为进一步提升固体充填的密实充填率，开展了对矸石骨料粒径级配的研究。首先对矸石骨料的理化特性进行分析，获取骨料的力学性能，并依据初级破碎后矸石粒径占比展开设计，通过对不同粒径级配方案的应力-应变曲线进行分析，计算在相同试验载荷下每种级配方案的压缩率，压缩率越大，说明骨料内部结构越密实，在上覆岩层载荷作用下，充填体的抗压缩能力也就越强。最终得到矸石骨料粒径级配方案为：0~10mm:10~30mm:30~40mm=3:6:1。
（2）采用 XRD 能谱分析仪和 SEM 扫描电镜，分析胶凝材料的水化产物以及微观结构，了解充填体形成强度的机理。从微观角度来说明充填体强度形成的机理，其中主要水化产物 C-S-H 凝胶以及钙矾石（AFt）是充填物料形成强度的主要因素，也是早期胶凝起胶凝作用的物质，并且随着养护龄期越长，内部结构也愈加紧凑。
（3）为进一步降低充填材料成本，同时也保证固体充填的最终强度，开展了以矿渣粉为基础，辅以少量水泥熟料以及脱硫石膏的材料研究。首先对各种原材料的化学成分进行分析，了解每种材料参与水化反应的活性物质，并以此展开正交试验设计。通过单轴抗压强度测试，得到了不同试样的试验力-位移曲线，经过对比强度，最终确定了胶凝材料的最优配比，即矿渣粉：水泥熟料：石膏为 70:25:5，在该配比下，充填体 7d 和 28d 强度分别为 3.48MPa、5.11MPa。基于该胶凝材料，对充填物料的输送特性进行测试，满足长距离输送要求，并通过横向对比试验，进一步验证了该胶凝材料的科学性。
参考文献（略）