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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; 2133IP
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宁东矿区气化渣基膏体充填材料性能优化研究

作者(Author)：陈登红, 李超, 张治国

摘要：宁东矿区作为黄河流域的9个亿吨煤基地之一，年产出煤基固废近2×108 t且气化渣堆存量大、规模化利用困难、简单填埋处理空间有限，充填开采能解决空间堆存难题，但成本高、性能亟待优化。根据响应面法设计气化渣在固体中的掺量(A)、气化渣与水泥质量比(B)、料浆含量(C)3因素3水平共17组中心组合实验，对气化渣基膏体充填材料的坍落度、扩展度、7和14 d单轴抗压强度等性能进行了对比优化研究。实验前使用X射线衍射仪(XRD)和扫描电镜(SEM)对原料的成分及微观形态进行观测分析，试块单轴压缩后通过SEM观测分析水化作用特点，揭示强度形成机制。综合强度和流动性得到最优配比及其性能特征为：A为48%,B为3,C为80%，脱硫石膏∶煤矸石∶炉底渣的质量按2∶1∶1配制，其7、14 d强度分别为1.15、2.41 MPa，坍落度为133 mm，扩展度为325.5 mm，坍落度与扩展度的比值为0.41。进一步基于响应面法分析得到7、14 d强度的单影响因素按显著性排序分别为：B>C=A、B>A>C;7、14 d强度的交互影响因素按显著性排序分别为：BC>AB>AC、AB> AC>BC；坍落度和扩展度的单影响因素按显著性排序分别为：C>B>A和C>A>B，进而为严控地表沉降、快充减少堵管、强度成本兼顾3种不同功能需求优选了对应配比方案及参数。研究成果为黄河流域的生态保护与煤炭低损伤开采提供了重要基础参数和优化方向。

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煤田地质与勘探

2022年第12期

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砂-重晶石粉填料导热性能与传热机制研究

作者(Author)：贾海梁, 朱子贤, 周阳, 孙强

摘要：地埋管地源热泵是浅层地热能利用的一种主要形式，回填材料的热物性尤其导热系数是影响热泵系统换热效率的关键。以砂和重晶石粉作为研究对象，探究不同重晶石粉掺比(体积分数)以及不同饱和度样品导热系数的变化规律；并基于体视镜、核磁共振分析等宏细观实验，揭示重晶石粉对回填材料导热系数提高的机制；最后，通过数值模拟手段研究该回填材料导热性能对换热效率的影响。研究表明：重晶石粉对回填材料导热系数的影响显著，掺比20%重晶石粉对回填材料导热系数提高的效果最好，最高可使导热系数提高52.09%；水的含量对导热系数影响也很显著，样品饱水后导热系数明显增加，相比干燥样品提高了4～5倍；重晶石粉对回填材料导热系数的提高主要由包裹效应和填隙效应引起，包裹效应为重晶石粉将砂颗粒表面包裹，而填隙效应则是重晶石粉将砂颗粒之间的孔隙填充；数值模拟结果证明重晶石粉提高回填材料导热系数进而提高地源热泵换热效率的可行性。研究成果为地源热泵回填材料的选择提供了参考。

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煤田地质与勘探

2022年第11期

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水泥基注浆材料析水时变特性量化试验研究

作者(Author)：张润畦, 徐斌, 尹尚先, 李树霞, 常永旺, 连会青, 曹敏

摘要：水泥基胶结性材料是注浆工程中最常见的注浆材料，这类材料存在明显的析水效应，获得析水厚度的量化公式有助于提高浆液扩散半径的计算精度。通过试验观察叶腊石粉掺量(0%～35%)、聚乙烯醇掺量(0%～8%)与粉煤灰掺量(0%～90%)3种掺合料在水泥基浆液中的析水过程，获得三者的析水率、结石率、最终析水时间与析水厚度变化情况，认定浆液的析水厚度变化存在一定规律的析水时变特性，并引入皮尔生长曲线模型与幂函数模型，对其进行量化。结果表明：3种掺合料都可以降低析水率，其中，叶腊石粉对水泥基注浆材料析水率的影响程度最大，其次为粉煤灰，最后为聚乙烯醇；3种掺合料都可以增加结石率；叶腊石粉可以有效缩短浆液的最终析水时间，聚乙烯醇在1.5%～8.0%掺量内可以缩短浆液的最终析水时间，粉煤灰在10%～60%掺量内可以缩短浆液的最终析水时间；3种掺合料掺量的变化曲线都呈现半“C”形；采用数学模型对析水厚度数据进行拟合分析，由拟合优度R2评判可知，幂函数模型优于皮尔生长曲线模型，析水厚度变化规律比较符合幂函数模型。研究成果可为改良注浆材料和完善非稳定浆液运移扩散理论提供重要的基础数据。

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煤田地质与勘探

2022年第11期

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