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充填法采煤可以有效解决地表沉陷和“三下”压煤问题。然而,作为矿山充填使用的充填体会随着使用年限的延长强度逐渐降低,从而导致充填效果降低甚至失败。矿井水中的 SO42-,Cl-是影响充填体长期强度的一个重要因素。长期处于矿井水环境中的充填体,会不可避免的遭受到盐离子的侵蚀,从而发生劣化,导致充填体强度降低,最终影响充填体的使用寿命及相关工程的安全。 本文以新疆阿吾孜苏矿开采条件为背景,通过宏观及微观试验对充填体的损伤机理以及SO42-,Cl-在充填体内部的扩散进行研究,并以此建立SO42-,Cl-在充填体内的扩散模型和充填体的耐久性模型,为我国矿井充填开采治理地表沉陷提供指导作用。论文研究获得主要研究成果如下: (1)统计我国主要产煤区矿井水中SO42-,Cl-的离子含量。研究表明:含有SO42-, Cl-的地下水主要集中在我国北方的东部大平原、南方的西南丘陵山地以及西部的西北内陆盆地、青藏高原冰漠和高山草原带,由于受地质条件等因素的影响,各地区 SO42-,Cl-浓度的离散性很大,从每升几十毫克至几千毫克不等。 (2)通过正交实验获得膏体充填材料的最优配比,以水泥为一定量,煤矸石胶结充填材料的质量配比为水:粉煤灰:煤矸石:水泥=0.5:0.4:9:1,矸石级配(<5 mm煤矸石含量)=0.4。最优配比的充填材料浆体的塌落度为22cm,对充填材料塌落度影响由大到小的因子次序是:水灰比→矸石级配→矸石含量→粉煤灰含量;试件在自然水化28d的单轴抗压强度为31.5MPa;对充填材料单轴抗压强度影响由大到小的因子次序是:水灰比→粉煤灰含量→矸石级配→矸石含量。 (3)通过宏观力学及微观结构实验研究了在SO42-,Cl-作用下充填体的水化过程及水化产物,分析了其侵蚀机理,并基于此探讨了侵蚀环境中充填体出现宏观力学性能变化的原因。研究表明:在氯盐溶液中,当氯离子的浓度低于0.5g/L时,对充填体的强度提高是有促进作用的,当氯盐溶液的浓度大于0.5 g/L时,龄期超过28d后,则因为生成的水化氯铝酸钙的膨胀作用,使充填体逐渐产生裂纹,强度降低。在硫酸盐溶液中,充填体内部生成了二水石膏、芒硝、钙矾石等具有膨胀性的物质,其侵蚀破坏属于结晶膨胀型和可逆反应型,从而导致充填体强度的损失和耐久性的下降。 (4)通过离子扩散性能试验,考虑SO42-,Cl-浓度消耗以及扩散系数随着时间的变化,根据Fick第二定律,建立了SO42-,Cl-二维自由扩散模型和充填体的耐久性模型,在此基础上建立了充填体的强度与地表沉陷之间的联系。