陈登红（1986—），安徽潜山人，安徽理工大学教授，博士生导师，安徽省高校高端人才引育行动青年拔尖人才青年学者获得者。现任矿业工程学院副院长。安徽理工大学学士、博士（硕博连读），东北大学与皖北煤电联合培养博士后；兼任《采矿与岩层控制工程学报》编委、中国岩石力学与工程学会青年工作委员会第九届委员会委员、安徽省科技专家库成员，淮南市安全生产专家组成员、《煤田地质与勘探》及《金属矿山》青年编委。紧密围绕深部硬岩高效破岩与大变形巷道稳定性控制工程建设的重大需求和科学前沿，在国家基金委、科技部、安徽省高校协同创新研究等项目支持下，长期从事矿山压力与岩层控制研究工作，在微波高效辅助破岩、深井巷道稳定控制、绿色充填开采等方面取得了一系列成果。研究成果发表SCI、EI期刊论文16篇，授权国际国内发明专利16项。研究成果获国家发明创业奖•创新奖一等奖（排名4）、江西省科学技术二等奖（排名4）、全国高校矿业石油安全工程领域青年科技人才奖等奖励。

主要内容

以脱硫石膏质量分数、粉煤灰与水泥质量比、料浆质量分数这3个因素设计响应面实验方案，分析在少水条件下3个因素对充填材料流动性和强度的影响规律，采用宏微观实验相结合的方法，寻求大宗煤基固废少水充填材料的最优配合比，为工程应用提供可靠的理论依据和技术参考。

1.  工程概况

任家庄煤矿位于宁夏回族自治区，该矿井的试验区为110904工作面。110904工作面平面图如图 1所示。

图  1  110904工作面平面图

2.   实验设计

2.1  实验原料及其理化特性

图  2  实验原料实物图

图  3  X射线检测实验设备及样本

图  4  实验原料XRD图谱

2.2  响应面Box-Behnken实验设计

表  1  实验方案

2.3   实验流程

图  5  实验测试过程

3.   膏体充填材料配比性能分析

3.1   膏体充填材料强度分析

3.1.1   实验结果

图  6  7 d、28 d单轴抗压强度实验结果统计

3.1.2   三因素交互作用对强度的影响

图  7  7 d抗压强度响应面分析

图  8  28 d抗压强度响应面分析

3.1.3   多因素影响的响应面函数拟合

图  9  7 d抗压强度散点图

图  10  28 d抗压强度散点图

3.2   膏体充填材料流动性分析

3.2.1   实验结果

图  11  坍落度、扩展度实验结果统计

3.2.2   响应面交互因素对流动性的影响

图  12  坍落度响应面分析

图  13  扩展度响应面分析

3.2.3   响应面函数拟合

表  2  坍落度和扩展度不同推荐模型

4.   少水充填材料微观结构演化特征

4.1   SEM微观形貌图分析

图  14  SEM检测实验设备及样本

图  15  7 d龄期低、中、高强度区的SEM图像

图  16  28 d龄期低、中、高强度区的SEM图像

4.2   XRD光谱分析

图  17  7 d与28 d水化产物的XRD图谱

4.3   波速与强度关联性分析

图  18  超声波检测实验设备及样本

图  19  抗压强度与波速的关系曲线

5. 结论

1) 针对宁东矿区大宗煤基固废堆存及西部地区水资源短缺等现状，通过中心组合实验响应面法得到煤基固废充填材料在少水化配比下(料浆质量分数为72%~76%)7 d单轴抗压强度为0.55~1.10 MPa，28 d单轴抗压强度为1.70~3.50 MPa，坍落度为53~130 mm，扩展度为125~235 mm。

2) 影响7 d和28 d单轴抗压强度的显著性单因素均为粉煤灰与水泥质量比，影响7 d和28 d单轴抗压强度的显著性交互因素均为粉煤灰与水泥质量比和料浆质量分数，影响流动性的显著因素均为料浆质量分数。综合强度和流动性2个重要指标，优化得到最佳配比：脱硫石膏质量分数53%，粉煤灰与水泥质量比2∶1，料浆质量分数74%。

3) 通过XRD、SEM进一步分析了少水充填材料的微观结构演化特征，得出了少水充填材料的水化机理。实验结果表明，水泥水化生成的多种水化产物有利于增加充填材料后期的强度；利用充填体的波速可以准确快捷地预测其强度。