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虚拟专题 | 矿井安全工程中的材料研发

来源：煤田地质与勘探

深部煤层安全高效开采与生态环境保护是当前煤炭资源绿色开采的重大难题之一，材料在注浆防治水工程、瓦斯抽采工程及地裂缝修复领域应用广泛。现整理出在本刊发表的“矿井安全工程中的材料研发”这一主题的典型论文，供同行参考交流。

行业视野: 安全
类别; 62个
关键词; 57位
专家; 11篇
论文; 2145IP
点击量; 1076次
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大相似比模型试验用超高强相似材料配比试验研究

作者(Author)：战新宇, 高林, 赵芳昊, 汪永印, 刘萍, 韩森

摘要：物理材料相似模拟试验是岩土工程领域中一种常用的研究手段，选择合适的相似材料并确定其配比是成功模拟原型工程的关键。现有相似材料多是针对几何相似比较小(1∶250~1∶25)的相似模拟试验研制，其强度普遍较小(0.2~7.6 MPa)，难以满足较大相似比模型试验的需求。因此，为配制出强度在10 MPa以上的适合较大相似比模型试验的超高强相似材料，选择河砂、重晶石、石膏及不同强度等级的水泥作为模型试验的相似材料原料，以骨胶比、水泥石膏比、重晶石含量及水泥强度等级为正交试验的4个因素，共设计25组不同材料配比方案。根据试验要求制备各类相似模拟试件并开展相应的岩石力学试验，获得不同配比相似材料的基本物理力学参数。结果表明：试验所得相似材料力学参数变化区间较大，抗压强度为3.017~48.179 MPa，能满足较大相似比下超高强度相似模拟试验的需求；通过直观分析法分析各因素对相似材料物理力学参数的敏感性和影响规律，发现重晶石含量对相似材料密度起主要控制作用，骨胶比对相似材料抗压强度、抗拉强度、弹性模量、内摩擦角起主要控制作用，水泥石膏比对相似材料黏聚力起主要控制作用；运用SPSS软件对相似材料配比正交试验结果进行回归分析，得出超高强相似材料配比的经验公式并进行工程应用，所得公式可为快速确定水泥石膏砂相似材料的配比提供理论依据。

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煤田地质与勘探

2023年第11期

158

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深部岩石原位保温取心保温材料物理力学特性研究

作者(Author)：薛守宁, 何志强, 李聪, 余波, 路雪莲, 刘文玥, 杨建平, 魏子杰

摘要：高温影响深部煤炭资源开采等工程活动，而传统陆地硬岩取心方法没有保温措施，忽略了温度对岩石物理力学性能的影响，导致获得的参数失真，影响深部煤炭等资源安全高效开采。为攻关深部岩石保温取心技术，提出采用环氧树脂基空心玻璃微珠材料作为保温材料应用于保温取心设备。开展了材料的物理、力学性能测试，结果表明：随微珠含量增加，保温材料导热系数呈显著下降趋势，但其力学性能出现弱化；同时，不同强度类型微珠含量增大时，保温材料力学性能降低，由于荷载承担对象的变化，会在不同体积分数处出现拐点；材料保温性能与强度是一对矛盾体，随微珠增加呈现出博弈竞争规律。为定量评价保温材料性能，定义了保温材料强度导热比，发现S60HS微珠体积分数为30%、40%、50%时的保温材料综合强度导热比分别为1.796、1.719、1.737，优于其他同类型材料，初步确定可以作为深部岩石取心保温材料。试验结果为深部岩石保温取心提供可能，进而为深部煤炭等资源开采提供支撑。

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煤田地质与勘探

2023年第08期

191

42
矿用丙烯酸盐灌浆材料的制备与性能研究

作者(Author)：曾娟娟, 李惠枝, 韦代东, 薛炜, 朱开鹏

摘要：煤矿顶板渗漏水治理是采煤过程中难以绕开的难题，化学灌浆是解决这一问题的有效手段。采用合成的丙烯酸镁溶液与交联剂、引发剂、促进剂等为原料制备丙烯酸盐灌浆材料。研究丙烯酸镁浓度、交联剂的种类和用量、引发剂用量对丙烯酸盐灌浆材料凝胶体性能的影响。结果表明：交联剂的种类和用量对凝胶体的性能起决定性作用，与常规的二乙二醇二丙烯酸酯交联剂制备的丙烯酸盐灌浆材料相比，采用甲基丙烯酸二甲氨基乙酯交联剂制备的丙烯酸盐灌浆材料具有更优的综合性能，其固砂体抗压强度大于200 kPa，遇水膨胀率超50%，断裂伸长率高于1000%。该高弹丙烯酸盐灌浆材料兼具优异的可灌性、抗渗性能、抗挤出性能以及与岩样的黏结性能，可用于煤矿顶板渗漏水治理。

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煤田地质与勘探

2023年第06期

223

63
微生物无固相钻井液体系构建及其固壁作用机理研究

作者(Author)：李之军, 朱茂, 智晶子, 韩毅, 陈俊秀, 赵淦

摘要：钻探过程中，常遇到破碎性地层，容易发生井壁失稳而诱发井下复杂事故。增强破碎块之间的胶结力，提升井壁围岩力学强度，是解决该类地层井壁失稳的有效途径之一,微生物诱导碳酸钙沉淀(MICP)技术为实现这一途径提供了很好的借鉴。为此，通过实验研究，分析了巴氏芽孢杆菌在无固相钻井液体系中的生长情况，得到适合巴氏芽孢杆菌生长的无固相钻井液，由此构建微生物无固相钻井液体系。利用岩心浸泡实验和扫描电镜(SEM)分析方法，探讨了微生物无固相钻井液体系的固壁效果及其作用机理。结果表明：巴氏芽孢杆菌在由植物胶、聚丙烯酰胺(PAM)、羧甲基纤维素钠(CMC)组成且含有培养基的无固相钻井液中的生长情况最好，经过24 h的生长，600 nm波长处的吸光值(OD600)达到1.54。故确定微生物无固相钻井液体系的配方为：0.1%植物胶+0.1%PAM+0.1%CMC+巴氏芽孢杆菌(OD600=0.8)+0.25%氯化钠+1%尿素+0.75%酪蛋白胨+0.25%大豆蛋白胨。在微生物无固相钻井液体系中添加钙源，可以获得更好的固壁效果，固结后试样的抗压强度达到0.183 MPa。该体系的固壁机理是微生物在松散颗粒间诱导生成碳酸钙晶体，填充于孔隙中，增强了松散颗粒间的胶结力，使原本松散的碎石土形成整体，从而发挥固壁作用。

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煤田地质与勘探

2023年第04期

196

114
煤系固废协同固化盐渍土的力学特征与机理研究

作者(Author)：董晨曦, 王念秦, 李江山, 陈新, 闫旭升, 马威

摘要：以干旱半干旱地区固体废弃物资源化利用为研究背景，利用煤系固废煤矸石(CG)、煤系偏高岭土(CMK)联合干旱区易获取的固废材料电石渣(CS)协同普通硅酸盐水泥(OPC)开发一种新型固化材料，探讨其固化干旱半干旱区盐渍土的力学性能与微观变化机理。基于室内实验，对比100%OPC固化盐渍土，研究不同矿区产出的CG以及煤矸石-煤系偏高岭土-电石渣协同固化剂(CGCMK-CS)替代52%、60%、68%、72%、84%OPC后各龄期的无侧限抗压强度(UCS)特征，并取特征组进行有害阴离子(Cl-、SO42-)浸出试验与微观测试，从微观角度对其强度变化机理进行探讨。结果表明，煤矸石–电石渣–煤系偏高岭土–普通硅酸盐水泥协同固化(CG-CMK-CS-OPC)体系具有良好的Cl-与SO42-结合能力，固化盐渍土后Cl-与SO42-浸出量是100%OPC的一半，其水化产物铝酸三钙能与盐渍土中的Cl-与SO42-生成AFm相产物，并使体系中的团粒内孔隙与团粒间孔隙向颗粒内与颗粒间孔隙转化，由此降低了盐渍土中盐分带来的危害。根据7 d UCS试验结果，使用山西运城CG固化体系的效果最佳，这与其活性钙质和铁铝质含量高、生物质含量低有关，榆林CG次之，咸阳CG性能最差。CG-CMK-CS在替代52%的OPC固化盐渍土后，部分试验组抗压强度qu超过了使用100%OPC固化盐渍土，即使在替代84%OPC之后，CG-CMK-CS-OPC依然满足公路底基层水泥粉煤灰材料的强度要求。因此，CG-CMK-CS-OPC可作为一种绿色、经济、环保低碳的固化材料，推广应用于干旱半干旱地区的盐渍土公路路基工程中。

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煤田地质与勘探

2023年第03期

213

117
基于RSM-BBD法胶结充填材料配比优化及工程应用

作者(Author)：王树帅, 徐斌, 李杨, 杨震

摘要：针对煤层回采顶板垮落法产生的采煤固废堆放量大、长壁胶结充填开采中采充失衡等问题，内蒙古察哈素煤矿31采区采用连采连充巷式胶结充填采煤工艺，采用“隔三采一”的回采方式及“三强一弱”的充填模式。充填材料配比对充填成本与效果具有重要影响，针对原胶结充填材料中水泥消耗大、粉煤灰消纳少的问题，基于泰波理论确定矸石最佳粒径级配系数n为0.5，在此基础上，利用响应面法(RSM)优化材料配比。基于RSM-BBD (Box–Behnken Design)设计13组试验，建立充填体3、7及28 d单轴抗压强度与水泥质量分数X1、粉煤灰质量分数X2、固料质量分数X3及3因素交互作用(水泥与粉煤灰交互作用X1X2、水泥与固料质量分数交互作用X1X3、粉煤灰与固料质量分数交互作用X2X3)的回归模型，模型P值均小于10-4，模型可靠性强。试验结果表明：不仅单一因素对强度影响显著，且各因素的交互作用也对强度有一定的影响。强度随X1与X3的增加而增大，随X2的增加先增大后减小，X1对前期影响最显著，X3对后期影响最显著，X2对强度影响随龄期增长逐渐显著。X2X3对7 d强度影响显著，X1X2对28 d强度影响显著，X1X3对3、7和28 d强度均有显著影响。在X1X3对7、28 d强度的交互影响中，水泥与固料质量分数会相互促进两者对强度的增强作用，而在其他交互影响中，一因素的增加会对另一因素的影响效果起抑制作用。基于RSM确定合理配比为X3取78%～79%, X2取19%～20%；高强度充填时X1取9%～10%，低强度充填时X1取8%。察哈素煤矿303工作面共采出煤炭16.8万t，消纳矸石16.22万t，粉煤灰消纳增加量与水泥消耗减少量均达到1万t以上，大大节省了粉煤灰处理费用与水泥成本，具有良好的环境效益与经济效益。

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煤田地质与勘探

2023年第03期

152

151
采空区大掺量粉煤灰无机固化泡沫制备及特性研究

作者(Author)：马砺, 杜素, 张照允, 王慧, 赵亮, 张波

摘要：煤矿采空区漏风是引发煤火灾害的重要原因，传统充填堵漏材料易干裂，流动性差，成本高，因此研发出有效充填封堵漏风通道的新型材料十分必要。通过单因素变量法，以材料流动度、初凝时间、抗压强度为指标进行配比优选，研发出大掺量粉煤灰无机固化泡沫充填堵漏新材料。同时，利用红外光谱、X射线衍射仪、扫描电镜表征材料的水化过程。结果表明∶基于泡沫均匀度、发泡倍数、半衰期及析水率等参数，优选出十二烷基硫酸钠(SDS)∶辛癸基葡糖苷(APG)=1∶1，黄原胶(XG)∶瓜尔胶(GG)=1∶1的水基泡沫。研发的大掺量粉煤灰无机固化泡沫，其初凝时间与粉煤灰掺量、水灰比、泡沫掺量成正比；流动度与水灰比成正比，与粉煤灰掺量成反比，随泡沫掺量增加先上升后缓慢降低；抗压强度随粉煤灰掺量增加呈先增加后减小趋势，与水灰比和泡沫掺量呈反比关系。综合评价指标确定粉煤灰掺量为60%、水灰比为0.6、泡沫与复合浆液体积比为1∶1时，材料流动度好，为15.9 cm，初凝时间适中，为5 h，抗压强度高，28 d达到1.5 MPa。该材料的水化产物是钙矾石(AFT)以及C-S-H凝胶，由水泥先发生水化反应生成Ca(OH)2，后与粉煤灰反应生成AFT及C-S-H凝胶，提高了大掺量粉煤灰无机固化泡沫抗压强度，能够适应采空区堵漏的要求。

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煤田地质与勘探

2023年第02期

252

79
煤系固废基绿色充填材料制备及其性能研究

作者(Author)：董猛, 李江山, 陈新, 金佳旭, 鲁龙钊

摘要：充填技术是绿色开采的重要组成部分，研发成本低廉、性能可靠、低碳环保的充填材料，是发展充填技术的关键。采用煤矸石(CG)和煤系偏高岭土(MK)为原材料制备煤系固废基绿色充填材料，探讨配合比和碱激发剂对充填材料强度以及流动度的影响，并结合X射线衍射(XRD)、傅里叶变换红外吸收光谱仪(FTIR)、热重分析(TG)和扫描电镜能谱分析(SEM-EDS)等表征手段，揭示充填强度发展机理。综合强度、流动性和环境指标，优化充填材料配比。研究结果表明：绿色充填材料体系中，煤系偏高岭土通过碱激发水化反应起到胶凝作用，体系强度随偏高岭土的增加呈线性增长，磨细的煤矸石充当惰性填料，协同Na2SiO3改善流动性。该充填材料主要水化产物为N―A―S―H和沸石，Si―O―Si发生聚解，随即四面体Al―O键部分取代Si―O键，由(SiO4)4-变成(AlO4)4-，进一步聚合形成Si―O―Al基团。当碱激发剂中Na2SiO3与NaOH比例为1∶1时，聚合程度最高。水化产物填充了煤矸石颗粒间孔隙，使基质致密，提高充填材料强度。综合指标评价推荐偏高岭土与煤矸石的配比为3∶7，此时不仅满足强度和流动性的要求，而且碳排放指数仅有0.257。本研究为开发成本低廉、性能可靠、低碳环保的充填材料提供新的思路，具有较好的实用性和经济性。

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煤田地质与勘探

2022年第12期

226

139

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