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对井下空区进行充填是矿山发展方向,但泌水沉降、接顶率不高在各矿山充填中普遍存在,一些矿山已经开始研发往充填材料中掺膨胀剂而降低泌水、改善接顶的技术。本文对掺加膨润土的充填料浆流动性及充填体膨胀、强度特性进行了研究。具体开展了料浆浓度(65%、70%、75%、80%)、膨润土掺量(0、5%、10%、15%)、灰砂比(1:4、1:6、1:8、1:10)三因素四水平的正交试验,通过XRD衍射、SEM扫描、核磁共振等技术对充填材料物化性质,料浆流动性、泌水率和含气率,充填体膨胀率、孔隙率、强度特性及微观结构进行了研究,为膨润土用于充填体产生膨胀而改善接顶质量提供依据。具体研究内容如下:(1)掺膨润土充填料浆泌水特性、流动特性、早期水化规律研究。料浆泌水可以分成快速泌水和稳定泌水两阶段,泌水率随膨润土掺量增加而减小。充填料浆坍落度随膨润土掺量增多而减小,但是15%膨润土时其坍落度依然有24.5cm,较不掺膨润土时的25.5cm变化不大,流动性良好;充填料浆主体水化反应发生在前30min,该时间段内,物理结合水迅速减少。(2)充填体膨胀规律研究。充填体膨胀率主要受膨润土掺量影响,且充填体膨胀率随膨润土掺量增加而增大,灰砂比及料浆浓度对其影响不大;膨润土掺量从0增加到15%时,其膨胀率从-1.89%增加到3.47%,负号代表沉缩。充填体膨胀可以分成两个阶段,一个是泌水沉缩时表现出抵抗作用的阶段,另一个是泌水沉缩后的进一步主动膨胀,其中泌水沉缩时抵抗作用是膨胀率的主要来源。(3)充填体强度特性研究。充填体强度随膨润土掺量增加而增加,30天抗压强度在0-15%的膨润土掺量范围内,其强度从1.68MPa增加到2.68MPa。高浓度(大于75%)高膨润土掺量(大于10%)的充填体,其破坏形式更趋向于不常见的拉伸破坏。膨润土改善了充填体内的宏观结构,膨润土吸收储存的水不断补给着后期水化所需的水,两者综合使得充填体强度随膨润土掺量增加而增大。(4)掺膨润土的充填体孔隙率及其与强度之间的规律研究。膨润土水化产生的气泡稳定,且均为小气泡,数量多,所以孔隙率随膨润土掺量增加而增加;充填体抗压强度与孔隙率不成明显的正反比关系,因为充填体抗压强度还受孔隙大小、形状影响,且更多的取决于孔隙孔径,孔隙孔径越大,强度越低。(5)充填体膨胀机理及强度机理研究。掺膨润土充填体生成的钙矾石更多,充填体内部孔隙被膨润土颗粒及钙矾石充填,且向外扩张,所以其膨胀率更大。掺膨润土充填体内通过生成大量有胶结能力的凝胶集团以及生成充填孔隙、改善充填体宏观结构的钙矾石来提高充填体抗压强度。