SV 冲击和振动 1875 - 9203 1070 - 9622 Hindawi 10.1155 / 2021/6643773 6643773 研究文章 浓度和悬浮剂(HPMC)煤矸石和粉煤灰胶结充填材料的性质 Baogui 1 2 https://orcid.org/0000 - 0001 - 8123 - 7752 Junyu 1 2 通过 3 小雨 1 Hongliang 3 Guangchao 1 能源及矿业工程学院 中国矿业大学& Technology-Beijing 这里学院路 海淀区 北京100083年 中国 cumtb.edu.cn 2 国家重点实验室的煤炭资源与安全开采 中国矿业大学和Technology-Beijing 这里海淀区学院路 北京100083年 中国 cumt.edu.cn 3 赤峰Chaihulanzi黄金矿业有限公司。 Chutoulang镇Chaihulanzi村,嵩山地区,内蒙古自治区 赤峰市024039 中国 2021年 8 2 2021年 2021年 21 12 2020年 7 1 2021年 25 1 2021年 8 2 2021年 2021年 版权©2021杨Baogui et al。 这是一个开放的文章在知识共享归属许可下发布的,它允许无限制的使用,分布和繁殖在任何媒介,提供最初的工作是正确的引用。

巩固了煤炭gangue-fly灰回填(CGFB)运用混合物填充材料回填地下煤矿的空缺。刚做好的CGFB泥浆通常通过一个管道运入一套。浆浓度的混合比例和悬浮剂(HPMC)中扮演着重要的角色在运送泥浆采空区顺利和有效。本文的影响泥浆浓度和HPMC在煤炭gangue-fly灰胶结充填材料的性能,研究了基于响应面方法。CGFB浆衰退的预测模型流,隔离率、出血率。结果表明,分离率和衰退的泥浆浓度的变化更敏感。另一方面,泥浆的出血率对HPMC的变化更敏感的内容。基于建立的模型,合理的泥浆浓度和混合比例范围悬浮剂(HPMC)。此外,三个新CGFB混合物测试,实验结果有很好的一致性的预测价值。

1。介绍

而煤炭做出了伟大的贡献,中国经济发展和社会建设,也不可避免地会导致一些问题,主要包括土地资源的破坏和占领,水资源的破坏和污染,大气环境的破坏和污染。土地资源的破坏和职业主要是由于地下采矿引起的地表沉陷和煤矸石堆积( 1]。水资源的破坏和污染是体现自然排水的含水层水流造成的裂缝在采矿过程中,使得地下水资源被破坏,甚至导致河流截止和河流干涸。大气环境的破坏和污染主要指自燃造成的污染气体和矿业煤矸石排放到空气中。此外,优良的固体颗粒在煤矸石山将形成尘埃随风和污染环境 2]。

胶结充填采矿是一个最受欢迎的技术在煤矿绿色开采技术体系。需要破碎煤矸石骨料与普通硅酸盐水泥和粉煤灰作为胶结材料的掺合料(HPMC)和水形成高浓度泥浆在一定比例。胶结充填采空区可以有效降低煤层顶板的下沉,矿业面临的压力和地层的变化。它也保护水资源,防止环境问题,减少地面煤矸石( 3- - - - - - 5]。这是一个有效的方法来解决煤炭开采的环境问题和“三下”采煤问题[ 6- - - - - - 9]。

国内外学者已经做了一些研究巩固了煤炭gangue-fly灰回填(CGFB)。吴et al。 10)确定的流属性CGFB泥浆基于循环管实验,开发了一个管流模型预测的流动行为CGFB泥浆管循环。阴et al。 11)提出了一个电化学治疗改善CGFB的早期强度和变形特征。侯et al。 12]研究CGFB与裂缝的力学性能在不同渗透水压力,引入损伤变量可以评估渗流效应和裂纹效应,并讨论了CGFB与裂纹的损伤演化规律下seepage-stress耦合,基于损伤力学的理论。李等人。 13)研究了材料组成对性能的影响当目标衰退是250毫米超塑化剂的响应面方法。王( 14]研究了煤的比例gangue-fly灰回填混合物,考虑到当水泥粉煤灰煤矸石的质量比为1׃4׃5和固体材料的质量分数达到72% ~ 75%时,水泥砂浆的质量指标,如强度、脱水率,和管道特性可以满足采空区回填的要求。吴et al。 15)进行了试验研究的可移植性和压降CGFB泥浆通过循环管的管循环系统在实验室,并讨论了固体浓度的影响以及比率煤矸石粉煤灰,粉煤灰硅酸盐水泥和煤矸石硅酸盐水泥在循环管流压降的新鲜CGFB泥浆样品( 11- - - - - - 14, 16- - - - - - 22]。

虽然国内外学者已经做了一些研究CGFB混合物,几乎没有研究HPMC和浓度的影响CGFB泥浆的性能。新鲜CGFB泥浆通过管道运输的采空区充填的内径150 - 180毫米,长度约2000米( 23, 24]。管堵塞通常发生在实际的运输过程。管道堵塞的主要原因如下:(1)高泥浆浓度导致管道运输阻力大,和所需的泵压力超过泵的工作压力极限,导致管道堵塞。(2)为了保证泥浆的流动性,泥浆的浓度降低,导致分离粗骨料(脉石颗粒)和细粒度(粉煤灰和水泥)在运输的过程中。煤矸石颗粒解决管道的底部,导致管道堵塞。改变泥浆浓度无法解决管道堵塞的问题。为了解决这个问题,方法是控制泥浆浓度在适当的范围,并添加适量的HPMC泥浆,这将使泥浆运输阻力减少,确保适当的隔离率。预计管道堵塞要避免和CGFB泥浆会被输送到采空区顺利。

本文旨在研究泥浆浓度和HPMC在泥浆性能的影响,得到一个最佳的混合浆浓度和HPMC的比例。响应面方法(RSM)是使用适当的试验设计方法设计试验方案,然后根据测试的顺序运行测试计划获得某些测试数据;使用多个回归方程适合测试因素和响应变量之间的定量关系。最后,回归方程分析是用来找到最优响应水平。响应面方法是一种解决多变量问题的数理统计方法。响应面方法包括许多实验设计和数据处理技术,如实验设计,回归方程建模、模型显著性检验和因子组合条件优化。通过拟合功能的响应和各种因素之间的关系,绘制响应面和等高线,每个因素的水平对应的响应值可以很容易地获得;然后最优响应值对应于每个因素的水平可以发现 25- - - - - - 28]。The RSM has several advantages, such as the efficiency to predict the model for each response, to construct a robust model with a small number of experimental data points, to assess the interaction effect between the factors, and to locate the optimal response [ 29日- - - - - - 31日]。

2。材料和方法 2.1。材料

在目前的研究中,使用的材料从“林溪”我和煤矸石粉煤灰从附近的电厂,普通硅酸盐水泥和水符合ASTM C150。煤矸石的密度是2300公斤/米3。粒度分布的煤矸石,粉煤灰和水泥在这项研究中的应用是图所示 1。煤矸石的化学成分、粉煤灰和水泥表所示 1

粒子的大小分布的材料。

化学成分的材料。

化学成分 水泥 粉煤灰 煤矸石
SiO2 19.68 53.85 43.77
艾尔2O3 4.57 32.88 21.52
62.59 1.64 22.64
2O3 3.53 5.59 5.27
年代 2.56 0.72 3.4
TiO2 - - - - - - 1.97 1.32
分别以 3.17 - - - - - - - - - - - -
2.2。实验设计方法

响应面分析的第一步(RSM)进行实验设计。有很多种RSM设计方法,包括Box-Behnken设计和中心合成设计(CCD),优化设计,贝叶斯设计和稳健设计。本文基于RSM优化设计是由使用设计专家8.0.5软件。在优化设计中,泥浆浓度和剂量的HPMC作为独立的变量。表 2实际表明变量水平的形式和编码值,泥浆的浓度从77%变化到80%,HPMC用量从0%降至1.5%。隔离率、出血率和衰退的浆流作为因变量。功能选择独立和相关的变量之间的关系可以表示为 (1) Y = f X 1 , X 2 , X 3 , , X N + ε , 在哪里 Y表示因变量, X 1 , X 2 , X 3 , , X n 表示独立变量, f 代表了因变量功能, ε 暗示了实验误差。

实验因素的实际和编码值。

浓度(%) 悬浮剂(‰) 编码值
77年 0 −1
78.5 0.75 0
80年 1。5 1

优化设计的矩阵形式的因变量是写如下: (2) Y = X α + ε , 在哪里 X表示的矩阵模型, α 意味着回归系数的矢量和 α 与最小二乘技术可以确定。结果显示如下: (3) α = X T X 1 X T Y , 在哪里 X T 表示矩阵的转置 X

在优化设计算法,从所有可能的设计点,最大化的行列式的实验设计点 XTX 决定通过一个计算机程序( 32]。

2.3。混合的比例

在本文中,大量的先前的实验的基础上,煤矸石和粉煤灰的比例确定胶结充填材料。当水泥含量12%的总重量和粉煤灰,煤矸石的重量比是固定在0.4,材料可以保持良好的级配,和28 d材料的强度可以达到4 MP,可以满足强度要求。浓度和HPMC的范围表 2。最优设计方法在响应面设计专家8.0.5软件是用来设计实验。实验设计方案如表所示 3

实验设计方案。

样品 固体含量(wt %)。 水泥含量(wt %)。 粉煤灰含量(wt %)。 煤矸石内容(wt %)。 HPMC内容/粉(wt %)。 含水量(wt %)。
1 # 77.00 12.00 18.57 46.43 0.49 23.00
2 # 77.00 12.00 18.57 46.43 0.49 23.00
3 # 77.00 12.00 18.57 46.43 1.50 23.00
4 # 77.00 12.00 18.57 46.43 1.50 23.00
5 # 77.57 12.00 18.73 46.84 1.00 22.43
6 # 77.84 12.00 18.81 47.03 0.00 22.16
7 # 77.84 12.00 18.81 47.03 0.00 22.16
8 # 78.43 12.00 18.98 47.45 1.50 21.57
9 # 78.68 12.00 19.05 47.63 0.86 21.32
10 # 78.88 12.00 19.11 47.77 0.28 21.12
11 # 79.69 12.00 19.34 48.35 1.01 20.31
12 # 79.97 12.00 19.42 48.55 0.51 20.03
13 # 80.00 12.00 19.43 48.57 0.00 20.00
14 # 80.00 12.00 19.43 48.57 0.00 20.00
15 # 80.00 12.00 19.43 48.57 1.50 20.00
16 # 80.00 12.00 19.43 48.57 1.50 20.00
2.4。测试和评价方法 2.4.1。流动性试验

喇叭状低迷桶上部直径100毫米,直径200毫米,较低的高度300毫米是放置在指定的位置下滑流板根据规定,和新鲜泥浆了三次。每个灌装后,捣固锤应使用均匀罢工25倍沿着桶壁从外部到内部;然后CGFB浆是平滑的。然后,拿出桶,使用后泥浆流的平均直径,即滑坡流,流动性指数来衡量新鲜CGFB泥浆的流动性。测量设备如图 2

滑坡流测试的图。(一)测量装置。(b)衰退流量测量。

2.4.2。隔离率测试

新鲜泥浆的隔离率测试装置如图 3(一个)。设备由四个圆柱形塑料管道的直径80毫米,高80毫米。新鲜泥浆注入测试设备和离开站2个小时。之后,每个部分的泥浆管取出,用水洗。煤矸石颗粒粒径大于5毫米的每个部分选择和称重和计算,分别。图 3 (b)显示了煤矸石与粒径大于5毫米洗在每个部分的筛选。根据公式( 4),隔离浆率与不同比例计算。 (4) 年代 = = 1 = 3 2 W + 1 W 3 W + 1 + W , 在哪里 年代是隔离率,%, W煤矸石与粒径的重量大于5毫米在每个管段,g。

图的分离速率测试。(一)测量装置。(b)煤矸石颗粒粒径大于5毫米。

2.4.3。出血率试验

泥浆的出血率进行了测试与5 L(内径185毫米和200毫米高度)汽缸盖,如图 4。首先,湿缸用湿布,把CGFB混合成一个时间,20多岁的振动台振动,然后轻轻地用抹刀光滑,盖防止水和蒸发。样品的表面应该约20毫米低于缸的边缘。贴后开始计算时间。在第一个60分钟,用吸管吸出出血每10分钟;然后吸水每20分钟,直到连续三次没有流血。5分钟之前每个吸水,底部一侧的气缸应垫由约20毫米汽缸倾向于促进吸水。吸水后,把缸轻轻地平盖。计算出血总量1 g的准确性。出血率是根据公式计算( 5)。 (5) B = V W W / G G 1 G 0 × One hundred. , 在哪里 B出血率,%; V W 出血的总质量,g; W是CGFB混合物的用水量; Gg是CGFB混合物的总质量; G 1 是油缸的质量和样本,g;和 G 0 是油缸的质量,g。

图的出血率测试。(一)测量装置。(b)出血率测量。

3所示。结果与讨论 3.1。模型拟合和分析

测量结果的因素在表16混合物 4被用来推导出回归模型。所有的系数模型(方程( 1)是由最小二乘方法,利用设计专家8.0.5。在建立模型的过程中,收集实验数据后,数据输入到设计专家8.0.5。该软件将分析数据和推荐合适的模型根据数据的特点。使用推荐的模型软件拟合,拟合结果测试。每个模型项目的重要性,根据评估的概率回归模型( P 值),每一项的系数不为零。在这项研究中,接受概率系数被设定为一个 P 值小于0.05和无意义的条款被取消,没有影响模型的建立和准确性。滑坡流的回归模型 f f 、隔离率 f 年代 ,出血率 f b 如表所示 5。方差分析表中列出的结果 6 X 1 X 2 浆浓度的编码值和HPMC的用量,分别。模型是否有效取决于以下指标。第一个指标是 P 每个模型项目的价值;的 P 值小于0.05表明,模型具有重要意义和模型有统计学意义。第二个指标是 P 缺乏合适的价值。当它大于0.05,表明模型的缺失项不明显,这意味着它与纯误差无关。第三个指数的相关系数 R 2 和调整的相关系数 R 一个 2 的模型; R 2 R 一个 2 不同在0和1之间。如果他们提出了比较高的值( R 2 R 一个 2 > 0.85)表明一个好的实验结果之间的相关性和模型的预测值 29日]。观察表中的数据 6,可以得出结论,各项指标满足要求;三个回归模型是有效的和有良好的预测能力。对应的预测值和实际值之间的关系如图 5。从图可以看出,数据点基本上分布在一条直线。因此,该模型可用于分析和预测CGFB泥浆的性能。

测试结果。

样品 滑坡流(毫米) 分离率(%) 出血率(%)
1 # 850.00 26.00 3.90
2 # 830.00 23.50 3.70
3 # 650.00 18.56 0.00
4 # 650.00 19.37 0.20
5 # 642.00 9.47 1.11
6 # 753.00 18.70 5.36
7 # 740.00 17.50 5.25
8 # 465.00 1.60 0.00
9 # 518.00 4.16 1.23
10 # 555.00 6.22 2.16
11 # 385.00 0.40 0.27
12 # 380.00 1.20 0.85
13 # 400.00 3.10 1.80
14 # 412.00 2.80 2.00
15 # 320.00 0.00 0.00
16 # 320.00 0.00 0.00

回归模型。

滑坡流(毫米) f f = 546.9 210.78 x 1 88.84 x 2 + 46.29 x 1 x 2 + 28.56 x 1 2
分离率(%) f 年代 = 4.38 6.32 x 1 4.46 x 2 + 2.69 x 1 x 2 + 6.38 x 1 2 + 2.85 x 2 2 5。5 x 1 3
出血率(%) f b = 1.43 1.15 x 1 2.08 x 2 + 1.14 x 1 x 2 + 0.69 x 2 2

方差分析的结果。

平方和 d f 均方 F 价值 P 概率值> F
滑坡流
模型 4.848 E+ 005 4 1.212 E+ 005 1606.88 < 0.0001 重要的
X 1 4.393 E+ 005 1 4.393 E+ 005 5824.86 < 0.0001
X 2 73673.23 1 73673.23 976.81 < 0.0001
X 1 X 2 13427.18 1 13427.18 178.03 < 0.0001
X 1 2 2023.20 1 2023.20 26.82 0.0003
剩余 829.65 11 75.42
缺乏合适的 473.15 6 78.86 1.11 0.4658 不重要
纯粹的错误 356.50 5 71.30
和总 4.856 E+ 005 15
符合统计数据 R平方 0.9983 性病,戴夫。 8.68
邻接的 R平方 0.9977 简历% 1.57
Pred R平方 0.9965 Adeq精度 105.340

分离率
模型 1302.94 6 217.16 148.47 < 0.0001 重要的
X 1 14.91 1 14.91 10.19 0.0110
X 2 156.53 1 156.53 107.02 < 0.0001
X 1 X 2 40.07 1 40.07 27.40 0.0005
X 1 2 98.74 1 98.74 67.51 < 0.0001
X 2 2 17.11 1 17.11 11.70 0.0076
X 1 3 9.31 1 9.31 6.36 0.0326
剩余 13.16 9 1.46
缺乏合适的 8.95 4 2.24 2.65 0.1569 不重要
纯粹的错误 4.22 5 0.84
和总 1316.10 15
符合统计数据 R平方 0.9900 性病,戴夫。 1.21
Adj。 R平方 0.9833 简历% 12.68
Pred。 R平方 0.9631 Adeq精度 31.765

出血率
模型 51.92 4 12.98 404.37 < 0.0001 重要的
X1 13.19 1 13.19 410.82 < 0.0001
X2 41.18 1 41.18 1283.00 < 0.0001
X1 x2 8.39 1 8.39 261.36 < 0.0001
X22 1.34 1 1.34 41.79 < 0.0001
剩余 0.35 11 0.032
缺乏合适的 0.29 6 0.048 3.62 0.0897 不重要
纯粹的错误 0.066 5 0.013
和总 52.27 15
符合统计数据 R平方 0.9932 性病,戴夫。 0.18
Adj。 R平方 0.9908 简历% 10.30
Pred。 R平方 0.9883 Adeq精度 51.719

对应的预测值和实际值之间的关系。(一)出血率。(b)隔离率。(c)衰退流。

3.2。性能分析新鲜CGFB浆

在这部作品中,建立回归模型来说明各种实验因素的影响及其二元交互CGFB属性建模的地区。不同属性的详细讨论CGFB泥浆如下。

3.2.1之上。分离率

浆浓度和HPMC的用量的影响隔离如图 6。最好的可视化结果的反应显然是在二维等高线图和三维图。从图可以看出,当HPMC的用量是固定的,与泥浆浓度的增加,浆的分离率会逐渐减少并最终趋于0,和隔离率的下降速率快,慢。当泥浆浓度是固定的,与HPMC的内容的增加,分离率在不同浓度的变化是不同的。例如,当泥浆的浓度是77%,浆的分离率将从30%下降到21%,如果HPMC内容从0%上升到1%,与HPMC的不断增加内容,隔离率会逐渐下降并稳定在19%左右。浆浓度为78%时,随着HPMC的增加内容,浆的分离率逐渐减少从15%到5%,当泥浆浓度大于78.2%时,随着HPMC的内容的增加,分离率将减少到低于5%。当泥浆浓度大于79.7%,HPMC的内容的增加,浆的分离率将减少到0%。因此,当泥浆浓度过低(77%),隔离只能提高泥浆的浓度增加。当泥浆浓度达到一定值(大约78.5%),可以减少偏析率增加HPMC或增加泥浆的浓度;两种方法的效果是相似的。

响应曲面图的隔离。(一)二维图。(b)的三维图。

3.2.2。滑坡流

7显示泥浆浓度和HPMC内容在衰退的影响流。从图可以看出,衰退的值流浆浓度的变化最敏感,也可以从衰退流回归方程的系数。泥浆浓度−210.78的系数,系数HPMC−88.84的内容。集中精力衰退的负面影响流是HPMC的三倍。与泥浆浓度的增加,水泥浆的流动性将迅速消失。节 3.2。1、泥浆浓度的影响和HPMC内容隔离率进行了分析;结合泥浆流动性的特点是对浓度的变化更敏感,不难发现,当泥浆浓度低时,泥浆隔离应该改进通过增加浓度;当浓度增加到一定值,隔离应该改善通过添加悬浮剂,既可以有效地提高泥浆的隔离,保证泥浆的流动性最大的程度。

响应曲面图衰退流。(一)二维图。(b)的三维图。

3.2.3。出血率

8显示泥浆浓度的影响和HPMC的用量出血率。从图可以看出 8相比之下,浓度,HPMC对泥浆的出血率的影响更大。泥浆浓度不变时,只要HPMC的含量达到1.5%,泥浆的出血率基本上是减少到0%;然而,当HPMC的内容是常数,出血率下降缓慢与泥浆浓度的增加,这是密切相关的HPMC的羟基具有较强的吸水能力。

响应曲面图的出血率。(一)二维图。(b)的三维图。

一般来说,出血率越小,分离率越小。然而,通过比较出血率和隔离浆浓度为77%,它可以发现隔离率不能表现为出血率的大小。1.5% HPMC的内容时,泥浆的出血率已经达到了0%,而隔离浆率仍高达19%。尽管HPMC吸附水的原因可能是细粒度的材料(水泥和粉煤灰)、粗骨料煤矸石和细粒度材料仍分离和煤矸石下沉。

4所示。多目标优化和模型验证 4.1。基于回归模型的多目标优化

浆浓度和HPMC的影响内容泥浆隔离率,衰退扩张,和出血率进行了分析。认为泥浆浓度和HPMC内容必须有一个适当的比例,保证泥浆的性能满足要求,但没有特定的混合比例范围。因此,本节将使用建立回归模型获得的适当比例范围浆浓度和HPMC的用量根据新鲜泥浆的工作性能要求,使CGFB泥浆满足尽可能多的各项性能指标的要求,没有过度的损害任何其他要求。首先,设计适当的配比参数的具体标准。根据现场试验,当衰退流超过450毫米,止血率小于3%,和隔离率小于5%;泥浆可以填充采空区顺利通过管道,确保地下工作面不受泥浆的出血影响采空区。优化模块的设计专家8.0.5软件,输入具体的标准要求;将获得匹配的范围要求,如图 9。图中的红色区域的满意度值是1,这表明泥浆性能能满足需求当泥浆浓度的混合比例和HPMC内容是在这个范围内。蓝色区域的满意度为0,这意味着泥浆浓度的混合比率和HPMC内容不能满足水泥浆性能的要求。这里需要解释什么是在本文的研究中,尽管在红色区域混合比例可以满足要求,由于HPMC的高价格,HPMC含量高会影响充填开采的成本,因此,比例较低悬剂应采用实际的混合比例。

多目标优化的结果。

4.2。模型验证

为了验证模型的有效性,本文选择三个匹配方案,符合要求的区域满意1进行额外的测试;计划如表所示 7。图 10给出了一个比较预测值和测量值的测试混合物。在这个图中,可以观察到所有测量值下降的预测范围内间隔对应于95%置信水平。因此,据透露,这是一个很好的协议之间的统计模型的实验结果和预测结果。

三个样品的材料配比方案。

样品 固体含量(wt %)。 水泥含量(wt %)。 粉煤灰含量(wt %)。 煤矸石内容(wt %)。 HPMC内容/粉(wt %)。 含水量(wt %)。
S1 78.50 12 19.00 47.50 1。0 21.50
S2 78.80 12 19.09 47.71 0.7 21.20
S3 79.00 12 19.14 47.86 0.5 21.00

预测值和测量值之间的比较。(一)隔离率。(b)出血率。(c)衰退流。

5。结论

基于响应面方法,浓度和HPMC在衰退的影响流,隔离率、出血率CGFB浆进行了研究。主要结论如下:

根据16组测试的测试结果,下降流的回归模型,分离率,设立泥浆和出血率,分析了模型的有效性和准确性。结果表明,建立的模型是有效的,和所有模型能够预测CGFB泥浆的性能特征。

根据三个回归模型,泥浆性能进行了分析;结果表明,分离率和衰退的泥浆浓度的变化更敏感,和泥浆的出血率对HPMC的变化更敏感的内容。

当泥浆浓度太低,HPMC的增加内容不能有效控制泥浆的隔离;只有通过增加泥浆浓度,可以提高砂浆的隔离。当浓度增加到一定值,种族隔离的泥浆可以减少通过添加适量的HPMC或不断增加泥浆的浓度。两种方法的效果是相似的。

基于三个回归模型,根据泥浆的性能要求,料浆浓度和HPMC的混合比例范围内容。此外,三个新CGFB混合物测试,实验结果有很好的一致性的预测价值。

数据可用性

使用的数据集或分析在当前研究可从相应的作者在合理的请求。

的利益冲突

作者宣称他们没有利益冲突有关的出版。

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