一种石墨尾砂膏体充填材料及其损伤特性分析方法

本发明涉及采空区膏体充填，尤其是涉及一种石墨尾砂膏体充填材料及其损伤特性分析方法。

背景技术：

1、石墨尾砂是排放的尾矿矿浆经自然脱水后所形成的固体工业废料，由于规模庞大，通常被排至河沟或抛置于矿山附近的堤坝的尾矿库中，具有一定的环境风险与安全隐患。科学处置石墨尾砂成为亟待解决的问题。

2、水淬硅锰渣是冶炼硅锰合金后废料经水淬急冷产生的工业废渣。实现对硅锰渣综合利用，是钢铁企业可持续发展的前提。由于水淬硅锰渣具有潜在的火山灰活性，可制备碱激发胶凝材料。

3、传统的膏体回填材料是采用水泥胶结砂、石等制备一种类似牙膏状的浆料，具有一定流动性与可塑性，硬化后能够支撑地层、降低地表沉陷。然而随着矿山规模不断扩大，传统充填材料暴露的问题也日益突出，水泥作为固化剂不仅消耗大量粘土资源，同时还会造成充填成本的增加。因此，有必要研究更加环保、成本低廉的膏体充填材料，以适应矿产资源开采的持续发展需求。

4、膏体充填材料的稳定性是确保安全生产的关键。其中，抗压强度是衡量其力学性能的一个非常重要的指标，不同压缩阶段的损伤特性是分析破坏失稳重要的指标。通常对于膏体充填材料损伤特性存在多种分析方法，包括声发射测试、数字散斑测试以及损伤本构模型的建立，然而大多数研究通常采用某种单一试验手段，将多种手段相结合鲜有涉及。因此有必要将声发射测试、数字散斑测试以及本构模型相结合，从声学、光学及力学角度整体揭示膏体充填材料损伤特性。

技术实现思路

1、本发明所要解决的问题在于针对现有技术的不足，提供一种石墨尾砂膏体充填材料及其损伤特性分析方法。所述石墨尾砂膏体充填材料制备时充分利用固体废弃物，达到了节能减排和环保治理的目的。所述损伤特性分析方法从声学、光学、力学角度整体揭示石墨尾砂膏体充填材料损伤特性，步骤简单，实现方便。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种石墨尾砂膏体充填材料及其损伤特性分析方法，原材料包括胶凝材料、尾砂和普通自来水，其中：

3、胶凝材料包括水淬硅锰渣、矿渣、脱硫石膏、氢氧化钠。

4、胶凝材料和尾砂质量比为1：4～1：8。

5、石墨尾砂膏体充填材料质量浓度在78％～80％。

6、作为优选，所述胶凝材料质量分别为水淬硅锰渣60份，矿渣40份，脱硫石膏6份，氢氧化钠6份。

7、作为优选，所述水淬硅锰渣为为冶炼硅锰合金后的水淬废料经烘干粉磨至比表面积≥700m2/kg，主要化学成分：cao 21.36％、sio2 43.81％、al2o3 16.07％、mgo 4.36％、mno 7.15％、so3 1.75％。

8、作为优选，所述矿渣为s95级矿渣，主要化学成分为：cao 42.77％、sio229.42％、al2o3 14.76％、mgo 7.52％、so3 2.39％。

9、作为优选，所述脱硫石膏为处理so2后的工业废料，主要化学成分为：cao41.25％、sio2 2.64％、al2o3 1.11％、mgo 7.52％、so3 53.39％。

10、作为优选，所述石墨尾砂为晾晒干燥后的全尾砂，主要化学成分为：cao12.34％、sio2 51.06％、al2o3 13.3％、fe2o3 7.52％、so3 6.42％。

11、一种石墨尾砂膏体充填材料及其损伤特性分析方法，包括以下步骤：

12、步骤一、制备石墨尾砂膏体充填材料。

13、步骤二、对石墨尾砂膏体充填材料进行单轴压缩试验。

14、步骤三、结合声发射试验与数字散斑试验从声学与光学角度共同监测石墨尾砂膏体充填材料受压过程中损伤特性数据。

15、步骤四、根据石墨尾砂膏体充填材料单轴压缩试验数据构建本构模型，从力学角度分析损伤、应变、应力之间关系。

16、所述石墨尾砂膏体充填材料制备过程包括：首先按照设计质量配合比，对石墨尾砂膏体充填材料原材料进行称重，其中胶凝材料质量比例为水淬硅锰渣60份，矿渣40份，脱硫石膏6份，氢氧化钠6份，石墨尾砂掺量采用灰沙比1：4、1：6、1：8进行配比，质量浓度为78％～80％，其次将氢氧化钠溶于水中制成氢氧化钠溶液，将水淬硅锰渣、矿渣、脱硫石膏、石墨尾砂混合均匀制得混合干料，混合干料与氢氧化钠溶液混合后充分搅拌制得膏体充填材料料浆，将均匀的浆料装模、成型并脱模，继续养护即制得石墨尾砂膏体充填材料。

17、所述单轴压缩试验测试仪器为电子式万能试验机。

18、所述声发射试验测试仪器为声发射信号分析仪。

19、所述数字散斑试验测试仪器为计算机与ccd相机。

20、与现有技术相比，有益效果为：

21、石墨尾砂膏体充填材料在常温常压下制备，避免了传统水泥高温煅烧环节，降低了能耗与co2排放。

22、利用工业固废制备膏体充填材料，保护环境同时实现资源再利用，同时由于工业固废自身成本较低，降低了膏体充填材料整体生产成本。

23、石墨尾砂膏体充填材料性能调控方便，可根据实际工作情况实时调配。

24、石墨尾砂膏体充填材料损伤特性分析手段多样，角度全面，效果良好。

25、说明书附图

26、图1为石墨尾砂膏体充填材料抗压强度图；

27、图2为石墨尾砂膏体充填材料坍落度图；

28、图3为石墨尾砂膏体充填材料稠度图；

29、图4为石墨尾砂膏体充填材料损伤本构模型图。

技术特征：

1.一种石墨尾砂膏体充填材料及其损伤特性分析方法，其特征在于：所述一种石墨尾砂膏体充填材料的组成成分包括胶凝材料、尾砂、普通自来水，其中，胶凝材料为水淬硅锰渣60份、矿渣40份、脱硫石膏6份、氢氧化钠6份，胶凝材料与尾砂质量之比为1：4～1：8，膏体充填材料质量浓度在78％～80％。

2.根据权利要求1所述的一种石墨尾砂膏体充填材料，其特征在于：所述水淬硅锰渣为冶炼硅锰合金后的水淬废料经粉磨至比表面积≥700m2/kg。

3.根据权利要求1所述的一种石墨尾砂膏体充填材料，其特征在于：所述矿渣为s95级矿渣。

4.根据权利要求1所述的一种石墨尾砂膏体充填材料，其特征在于：所述脱硫石膏为处理so2后的工业废料。

5.根据权利要求1所述的一种石墨尾砂膏体充填材料及其损伤特性分析方法，其特征在于，损伤特性分析方法包括如下步骤：

技术总结一种石墨尾砂膏体充填材料及其损伤特性分析方法，属于膏体充填技术领域。膏体充填材料包括胶凝材料、尾砂、普通自来水。其中，胶凝材料为水淬硅锰渣60份、矿渣40份、脱硫石膏6份、氢氧化钠6份，胶凝材料与尾砂质量之比为1：4～1：8，膏体充填材料质量浓度在78％～80％，本发明膏体充填材料性能优异，成本低廉且有一定的推广性，对于固体废弃物综合利用领域具有一定实用意义。膏体充填材料损伤特性分析方法包括声发射试验、数字散斑观测试验以及损伤本构模型构建，该方法分别从声学、光学、力学等多维度整体揭示材料损伤特性。本方法步骤简单实现方便，能够全面分析膏体充填材料损伤特性，分析角度全面，效果良好。技术研发人员：孙琦,杨亮受保护的技术使用者：辽宁工程技术大学技术研发日：技术公布日：2024/5/29