“以矿治矿，金山银山不如绿水青山”—西京学院大创项目成果初见成效

近期,西京学院校级大创项目《利用陕西当地煤矸石制备固废基充填浆料的关键技术与性能研究》课题顺利开展并取得显著成果。该课题小组成员主要由西京学院土木工程学院的苏瑞雪、郝波博和贺柔等五位本科生组成。

中国幅员辽阔、矿产资源开采普遍,尤其是一个煤炭资源储藏和利用大国,陕西省更是我国煤炭大省。煤炭资源开采所引发的地表沉陷等地质灾害频发,逐渐严重影响我国社会发展和民众幸福生活,采空区影响与地表沉陷破坏地日益增多与土地资源日渐紧缺之矛盾急剧凸显;而充填开采在减小沉降(杜绝)沉降和提高资源回收率方面具有突出优势。可以预想,充填开采必将成为一个重要的新型研究领域,充填材料与充填系统设备是其重点内容,充填材料的安全高效储运是充填工作面连续化作业的基本保障。

充填效果、充填效率和充填效益("三效")三者之间的关系是充填开采理论设计及工程实施过程中难以回避的问题。固体(即矸石体)充填存在原生矸石级配较差、在固体充填过程中压缩量大、充实率低等问题,流体(膏体)充填可以很好的解决矿井回填开采中充填效率、充填成本和充填系统的制约;但传统膏体材料依然受充填系统、充填效率和充填成本的制约,或存在结构死角、渗透性大堵水能力弱等问题。

因而,若能研发流动性随流速增大而增大的一种流变性能突出的理想型充填材料,即泵动流动过程流动阻力极小、流速降低后有能很快半固体化,实现在采空区的无模堆积,有效应对高浓度大流量充填物料远距离安全高效储运面临的新挑战,将有助于我国、尤其是陕西省煤炭矿产资源充填开采技术发展和推动矿山固废利用进程。本项目的研究内容正是基于上述认识提出来的,在细致总结当前工程技术发展和研究现状的基础上,开展强触变性矸石固废基浆料流变特性和结石体强度特征这一基础性和前沿性课题研究,能有效应对传统充填开采技术在高浓度大流量充填物料远距离安全高效储运中面临的新挑战。

项目首先开展了矸石固废基浆液材料优化研发试验,首先以材料组分为因素、各组份不同含量为水平,以浆料成本、触变性、初终凝时间和龄期强度等为评价指标,采用正交试验进行材料进一步优化;浆料触变性采用触变指数法进行确定(前期研究已经给出了触变性工程浆液随静止时间相关的触变性评价公式,并对强悬浮性浆液的泌水离析特性测试申请了专利方法);浆料凝固时间依规范采用维卡仪测定。

为进一步考察研发的强触变浆液的实际堆积效果,特做了堆积物理模型试验。设计原理为:假设注浆堆积体呈锥台形,利用微分思想,圆台/圆锥在轴向取有限长度微元,则该微元体呈矩形体;为避免浆液底部出现避免滑移,将箱体底部黏贴粗砂纸。充填开采过程中,“充填体-覆岩-煤柱”复合承载系统主要承受开采活动引起的采动应力。为给出合理、有效的充填设计理论,提出关键充填参数,采用大直径混凝土三轴仪测定浆液结石体强度,最终总结出矸石固废基胶结体强度与配比关系,构建矸石浆料结石体在粒料级配、围压等多因素耦合作用下的本构方程。采用微观CT实验,研究不同荷载水平下矸石固废胶结体内矸石固废块体的压实变形、颗粒簇分布及颗粒结构形态演化特征,以揭示矸石固废充填材料压实变形细观机理。

本项目所得相关成果不仅对解决工程实践中面临的问题具有指导作用,而且对完善和丰富矸石固废浆料流体流变性和结石体宏观力学特性基础理论具有重要意义。