煤系固废协同固化盐渍土的力学特征与机理研究

以干旱半干旱地区固体废弃物资源化利用为研究背景,利用煤系固废煤矸石(CG)、煤系偏高岭土(CMK)联合干旱区易获取的固废材料电石渣(CS)协同普通硅酸盐水泥(OPC)开发一种新型固化材料,探讨其固化干旱半干旱区盐渍土的力学性能与微观变化机理。基于室内实验,对比100%OPC固化盐渍土,研究不同矿区产出的CG以及煤矸石-煤系偏高岭土-电石渣协同固化剂(CGCMK-CS)替代52%、60%、68%、72%、84%OPC后各龄期的无侧限抗压强度(UCS)特征,并取特征组进行有害阴离子(Cl-、SO42-)浸出试验与微观测试,从微观角度对其强度变化机理进行探讨。结果表明,煤矸石–电石渣–煤系偏高岭土–普通硅酸盐水泥协同固化(CG-CMK-CS-OPC)体系具有良好的Cl-与SO42-结合能力,固化盐渍土后Cl-与SO42-浸出量是100%OPC的一半,其水化产物铝酸三钙能与盐渍土中的Cl-与SO42-生成AFm相产物,并使体系中的团粒内孔隙与团粒间孔隙向颗粒内与颗粒间孔隙转化,由此降低了盐渍土中盐分带来的危害。根据7 d UCS试验结果,使用山西运城CG固化体系的效果最佳,这与其活性钙质和铁铝...     

霞石正长岩烧结反应的热力学分析与实验

霞石正长岩是一种富含K₂O、Al₂O₃、SiO₂的矿产资源。在综合分析云南个旧白云山霞石正长岩物相组成的基础上,对以Na₂CO₃为助剂中温分解霞石正长岩中的铝硅酸盐矿物,提取碳酸钾和氧化铝的技术路线进行了研究。根据热力学理论计算以Na₂CO₃为助剂,主要烧结产物为NaAlSiO₄、KAlSiO₄、Na₂SiO₃时的反应温度,结果表明理论上反应在800 K(527 ℃)左右开始发生。通过烧结反应实验,得到优化反应温度为800～850 ℃,霞石正长岩的分解率达95%以上。X射线衍射分析结果表明,烧结产物的主要物相为NaAlSiO₄、KAlSiO₄和Na₂SiO₃,与热力学计算结果一致。烧结产物的硫酸酸浸实验表明,硅铝分离效果良好,SiO₂、Al₂O₃、K₂O三者的提取率分别高达91.4%、92.2%、92.5%。与前苏联的石灰石烧结法相比,本工艺具有低能耗、低物耗和生产过程清洁高效等优点。     

靖宇县玄武岩区矿泉水特征组分H2SiO3成因实验——以王大山泉为例

以靖宇县典型泉岩样为实验材料,结合野外实际情况,考虑pH值和CO₂影响因素设计了矿泉水中H₂SiO₃实验,对实验结果进行了化学动力学分析,并利用matlab建立数学模型分析了矿物反应的机理。结果表明:1)仅考虑pH值的情况下:初始pH值近中性(pH=7.25)时,实验溶液中H₂SiO₃释放量较小,反应难以发生;初始pH值为碱性(pH=8.10)时,实验溶液中H₂SiO₃缓慢增加,平均释放速率为3.08 mg/(kg·d)。2)在考虑pH值和CO₂情况下:初始pH值为碱性条件时,通入CO₂能够较快促进H₂SiO₃产生,平均释放速率可由4.29 mg/(kg·d)升高为12.00 mg/(kg·d);初始pH值为弱酸性(pH=6.64)时,实验溶液中H₂SiO₃增加较快,通入CO₂,溶液中H₂SiO₃释放速率稍微增加。3)实验溶液中H₂SiO₃释放规律符合Stanford一阶反应动力学模型。靖宇县矿泉水中H₂SiO₃主要来自偏硅酸矿物(斜长石、镁橄榄石、辉石)的反应。在中性条件下,玄武岩矿物很难反应;在碱性条件时,主要是玄武岩矿物的水解,反应缓慢;在弱酸性条件下,主要是玄武岩矿物与H⁺和CO₂的反应,反应强度较大。     

湖底淤泥固化土的环境耐久性研究

为了评价淤泥固化土的环境耐久性,采用矿渣体系的碱激发胶凝材料(矿渣粉、偏高岭土、石灰和水玻璃)和普通硅酸盐水泥为固化剂,通过开展无侧限抗压、冻融循环、Na2SO4及NaCl浸泡侵蚀、扫描电镜和EDS-Mapping试验,分析了侵蚀环境下固化淤泥土的典型水化产物、强度演变规律、质量损失率和微观结构特征,结果表明,碱激发固化淤泥内部生成的水化硅铝酸钠凝胶(N-A-S-H)能有效提高强度,但是冻融循环和浸泡侵蚀均会导致固化土强度劣化;水泥固化淤泥受硫酸盐侵蚀后,钙矾石会呈现簇状发展而产生膨胀开裂,导致强度下降;碱激发固化剂的抗氯离子能力优于硫酸根离子,综合环境耐久性优于普通硅酸盐水泥。     

石灰-偏高岭土改良遗址土强度劣化特性的冻融循环效应

中原地区处于季冻区,周期性冻结与融化对遗址土体结构有显著影响。为探究石灰偏高岭土(L-MK)在抗冻融循环方面替代天然水硬性石灰(NHL)用于土遗址修复工作的可行性,以石灰、偏高岭土和遗址土为主要原料,对经历不同冻融循环次数的L-MK改良土试样分别进行质量损失测试、无侧限抗压强度试验和劈裂抗拉强度试验,系统研究其强度特性的冻融循环效应;并取部分试样进行X射线衍射(XRD)、热重(TG)、电镜扫描(SEM)等微观试验,揭示L-MK改良土强度劣化规律的内在机制。结果表明：试验配合比下,L-MK改良土的抗冻性能优于NHL改良土,偏高岭土掺量的增加有助于提高L-MK改良土强度;随着冻融循环次数的增加,L-MK改良土应力-应变曲线的应变软化特征呈减弱趋势,无侧限抗压强度和劈裂抗拉强度单调衰减,但经历30次冻融循环后L-MK改良土无侧限抗压强度和劈裂抗拉强度分别高于NHL改良土3.79倍和1.16倍以上。这与L-MK及NHL改良土生成的水化产物(CSH和C₄AH₁₃等)受冻融循环的影响规律基本一致。     

基于RSM-BBD法胶结充填材料配比优化及工程应用

针对煤层回采顶板垮落法产生的采煤固废堆放量大、长壁胶结充填开采中采充失衡等问题,内蒙古察哈素煤矿31采区采用连采连充巷式胶结充填采煤工艺,采用“隔三采一”的回采方式及“三强一弱”的充填模式。充填材料配比对充填成本与效果具有重要影响,针对原胶结充填材料中水泥消耗大、粉煤灰消纳少的问题,基于泰波理论确定矸石最佳粒径级配系数n为0.5,在此基础上,利用响应面法(RSM)优化材料配比。基于RSM-BBD (Box–Behnken Design)设计13组试验,建立充填体3、7及28 d单轴抗压强度与水泥质量分数X1、粉煤灰质量分数X₂、固料质量分数X₃及3因素交互作用(水泥与粉煤灰交互作用X1X₂、水泥与固料质量分数交互作用X₁X₃、粉煤灰与固料质量分数交互作用X₂X₃)的回归模型,模型P值均小于10^-4,模型可靠性强。试验结果表明：不仅单一因素对强度影响显著,且各因素的交互作用也对强度有一定的影响。强度随X1与X     

稀土La掺杂ZSM-5/MCM-41介微孔复合分子筛的合成与表征

以CTMABr、TPABr为介、微孔模板剂, Na₂SiO₃为硅源, Al₂(SO₄)₃为铝源, La₂O₃的H₂SO₄溶液为La供体, 在水热条件下, 通过La离子导入、预置晶种、二步晶化等手段, 首次合成出La杂原子ZSM-5/MCM-41复合分子筛.XRD、N₂吸附脱附结果表明, 样品共存ZSM-5和MCM-41两种物相, 两种结构、孔径在介、微孔范围都有分布, 且La可取代分子筛骨架的少量Si.SEM照片显示, 样品晶粒局部聚集成不规则的团块, 构成团块的颗粒大小不一但结合紧密, 与ZSM-5、MCM-41形貌明显不同.IR曲线中不存在La₂O₃的特征吸收谱, 样品特征骨架振动峰向高波位移的现象, 以及样品微分热失重峰向高温方向偏移, 加之DTA曲线肩峰的出现进一步说明La杂原子ZSM-5/MCM-41复合分子筛的合成.      

矿物聚合材料固化过程中的聚合反应机理研究

以粉煤灰、高岭石等为原料,制备出具有良好力学性能和耐酸性的矿物聚合材料制品,可代替部分硅酸盐水泥制品。根据矿物聚合材料制品在3 d、7 d、14 d、28 d的X射线衍射(XRD)、红外光谱（IR）、扫描电镜（SEM）、核磁共振（NMR）等测试分析结果,研究了该材料固化过程中的聚合反应机理。研究结果表明,矿物聚合材料在固化过程中的反应如下：（1）粉煤灰中的玻璃相在强碱的作用下首先发生溶解,其中部分Si-O、Al-O键发生断裂;（2）断裂之后的Si、Al组分在碱金属离子Na⁺、OH^- 等作用下形成Si、Al低聚体（-Si-O-Na、-Si-O-Ca-OH、Al(OH)^-₄、Al(OH)^2-₅、Al(OH)^3-₆）,而后随着溶液组成和各种离子浓度的变化,这些低聚体形成凝胶状的类沸石前驱体;（3）前驱体脱水形成非晶相物质。核磁共振分析结果表明,28 d制品中,Si的存在方式以Q⁴为主。研究结果为进一步揭示矿物聚合材料的形成机理、改善制品的性能奠定了良好的基础。     

草桃背矿床白垩纪橄榄玄粗岩与铀成矿关系

赣南会昌断陷盆地沿石城-寻乌深断裂分布一条白垩纪橄榄玄粗岩系列的火山岩带。草桃背大型铀矿床内出露大富足岩体中-粗粒黑云母花岗岩及早白垩世晚期到晚白垩世早期橄榄玄粗岩系列火山岩。大富足花岗岩体岩石w(SiO₂)平均为74.67％,碱总量(w（K₂O+Na₂O）)平均为7.99％,w(K₂O)>w(Na₂O),w(CaO)平均为0.54％,w(Al₂O₃)>w(CaO+Na₂O+K₂O),属高钾钙碱性岩石系列。橄榄玄粗系列火山岩岩石w(SiO₂)为45.78 %~59.78 %,w(K₂O+Na₂O)平均为7.37%,K₂O/Na₂O平均为1.02,w(TiO₂)平均为0.86%, 全铁质量分数平均为7.09%,属偏碱性橄榄玄粗质火山岩类。草桃背铀矿床赋矿岩性为橄榄玄粗岩、碎裂花岗岩及隐爆角砾岩。赋存于碎裂花岗岩及隐爆角砾岩中铀矿石化学成分,与围岩花岗岩成分相似;赋存于橄榄玄粗岩中铀矿石,Fe₂O₃+Fe₂O、CaO、MgO不同程度地带出,w(SiO₂)明显增高,表明橄榄玄粗岩在成矿过程中,通过输出大量Fe、Mg、Ca等阳离子而促进铀离子从含矿溶液中沉淀。草桃背矿床的铀矿化与充填在草桃背火山口的橄榄玄粗岩关系密切,在时间上相近、在空间上相伴、在成生上相关,受橄榄玄粗岩岩浆系列热动力的影响,铀元素发生活化、转移或物质交换而成矿,成岩成矿时代属早白垩世晚期到晚白垩世早期。从草桃背铀矿床岩石学、地球化学及赋矿特征入手,总结了铀成矿是富铀矿的花岗岩基底、北东向构造及火山作用结合的产物,橄榄玄粗岩提供热源,并指出半岭、上寮、小富足等地段是寻找草桃背式铀矿床的极有利地区。     

小兴安岭北部八里桥地区碱长花岗岩成因与地质意义

小兴安岭八里桥地区位于兴蒙造山带东部兴安地块与松嫩—张广才岭之间的构造带上,区内构造演化复杂,岩浆活动频繁。本文通过对八里桥地区晚古生代碱长花岗岩的年代学和岩石地球化学研究,旨在为兴安地块与松嫩—张广才岭地块碰撞拼合时限提供新的约束。LA-ICP-MS锆石U-Pb定年结果显示,八里桥地区发育的中粒碱长花岗岩形成于(295.3±0.7) Ma,属早二叠世侵入体。碱长花岗岩w(SiO₂)为75.27%～77.71%,w(Al₂O₃)为11.48%～13.28%,w(Na₂O+K₂O)为6.96%～8.72%,Na₂O/K₂O比值为0.27～1.05,A/CNK值在1.00～1.51之间,属过铝质、高钾钙碱性系列岩石。稀土元素总量为116.46×10^-6～321.52×10^-6,ΣLREE/ΣHREE和(La/Yb)_N比值分别为3.07～9.65和1.70～6.91,显示轻稀...     

采空区大掺量粉煤灰无机固化泡沫制备及特性研究

煤矿采空区漏风是引发煤火灾害的重要原因,传统充填堵漏材料易干裂,流动性差,成本高,因此研发出有效充填封堵漏风通道的新型材料十分必要。通过单因素变量法,以材料流动度、初凝时间、抗压强度为指标进行配比优选,研发出大掺量粉煤灰无机固化泡沫充填堵漏新材料。同时,利用红外光谱、X射线衍射仪、扫描电镜表征材料的水化过程。结果表明∶基于泡沫均匀度、发泡倍数、半衰期及析水率等参数,优选出十二烷基硫酸钠(SDS)∶辛癸基葡糖苷(APG)=1∶1,黄原胶(XG)∶瓜尔胶(GG)=1∶1的水基泡沫。研发的大掺量粉煤灰无机固化泡沫,其初凝时间与粉煤灰掺量、水灰比、泡沫掺量成正比;流动度与水灰比成正比,与粉煤灰掺量成反比,随泡沫掺量增加先上升后缓慢降低;抗压强度随粉煤灰掺量增加呈先增加后减小趋势,与水灰比和泡沫掺量呈反比关系。综合评价指标确定粉煤灰掺量为60%、水灰比为0.6、泡沫与复合浆液体积比为1∶1时,材料流动度好,为15.9 cm,初凝时间适中,为5 h,抗压强度高,28 d达到1.5 MPa。该材料的水化产物是钙矾石(AFT)以及C-S-H凝胶,由水泥先发生水化反应生成Ca(OH)2,后与粉煤灰反应生...     

华北地区京西煤田侏罗纪煤层中伊利石矿物学特征及成因

为了探讨伊利石对煤化作用和沉积环境的指示作用，以华北地区京西煤田侏罗纪煤层夹矸为研究对象，采用X射线衍射方法（XRD）和X射线荧光方法（XRF）分别测定煤层夹矸的矿物组成和化学组成，研究夹矸中伊利石矿物学特征及成因。结果表明，京西煤田侏罗纪煤层夹矸主要由伊利石、绿泥石和石英组成，其中，伊利石质量分数平均为62.92%。将XRD数据和XRF数据进行对比分析，计算得到伊利石平均化学式为（K_0.37（NH₄）_0.03）Al₂（Si_3.60Al_0.40O₁₀）（OH）₂。京西煤田煤层夹矸中伊利石主要由高岭石转化而来，伊利石的NH₄+占层间阳离子的比例具有随沉积古盐度升高而逐渐升高的趋势，n（Si）/n（Al）Ⅳ具有随煤化程度升高而逐渐降低的趋势，这表明京西煤田侏罗纪煤层夹矸中的伊利石矿物学特征对沉积环境和煤化作用具有一定的指示作用。      

宁东矿区气化渣基膏体充填材料性能优化研究

宁东矿区作为黄河流域的9个亿吨煤基地之一,年产出煤基固废近2×108 t且气化渣堆存量大、规模化利用困难、简单填埋处理空间有限,充填开采能解决空间堆存难题,但成本高、性能亟待优化。根据响应面法设计气化渣在固体中的掺量(A)、气化渣与水泥质量比(B)、料浆含量(C)3因素3水平共17组中心组合实验,对气化渣基膏体充填材料的坍落度、扩展度、7和14 d单轴抗压强度等性能进行了对比优化研究。实验前使用X射线衍射仪(XRD)和扫描电镜(SEM)对原料的成分及微观形态进行观测分析,试块单轴压缩后通过SEM观测分析水化作用特点,揭示强度形成机制。综合强度和流动性得到最优配比及其性能特征为:A为48%,B为3,C为80%,脱硫石膏∶煤矸石∶炉底渣的质量按2∶1∶1配制,其7、14 d强度分别为1.15、2.41 MPa,坍落度为133 mm,扩展度为325.5 mm,坍落度与扩展度的比值为0.41。进一步基于响应面法分析得到7、14 d强度的单影响因素按显著性排序分别为:B>C=A、B>A>C;7、14 d强度的交互影响因素按显著性排序分别为:BC>AB>AC、AB> AC>BC;坍落度和扩展度的单影响因素按显著性排序分别为:C>B>A和C>A>B,进而为严控地表沉降、快充减少堵管、强度成本兼顾3种不同功能需求优选了对应配比方案及参数。研究成果为黄河流域的生态保护与煤炭低损伤开采提供了重要基础参数和优化方向。      

Experimental investigation of the effect of metasomatism by carbonatic melt on the composition and structure of the deep mantle

The compositions of various transition-zone and lower-mantle phases and coexisting carbonatic melts were determined by exploratory melting experiments in chemically complex CO₂-bearing systems at 20–24.5 GPa and 1600–2000 °C. The melts are highly ultramafic, enriched in K, Na, Ca, Fe, and Mg, and depleted in Al and Si. Melting experiments were also carried out with the compositions on the join Mg₂SiO₄–Na₂CO₃ at 3.7 GPa and 1200–1600 °C. The solidus assemblage of MgCO₃ and Na₂MgSiO₄ melts incongruently to produce forsterite and Na-rich melt. The new results and other recent studies in CO₂-bearing systems suggest that carbonatic melt could be present, either transiently or permanently, in the whole Earth's upper mantle and at least the uppermost lower mantle. Carbonate-melt metasomatism is recognized as a process that could have a major effect on the composition and structure of the deep mantle, and thus play an important role in its evolution. Due to the unique properties of the carbonatic melt, its circulation in an otherwise static mantle could be a more efficient process than the solid-state convection for maintaining equilibrium in most of the mantle not involved directly in plate tectonics.     

基于土柱淋滤实验的煤矸石饱和状态下溶质释放过程研究

针对煤矸石山在降水淋滤作用下对矿区周边地下水造成污染的严重问题,用实验模拟法对包头石拐区一废弃煤矿进行饱和状态下煤矸石的淋滤实验研究。结果表明:煤矸石中Ca、Mg、Fe、Cu、Zn、NO₃-、SO₄2-、Cl-的淋滤过程都遵循浓度先升高再降低到稳定值的基本规律,只是NO₃-、SO₄2-、Cl-的淋出速率明显大于重金属的淋出速率,Ca和Mg、SO₄2-和Cl-、Pb和Cr、Cd有相似的淋出机制;重金属最强淋出率从大到小的顺序是Mg>Cd>Ca>Cu>Zn>Cr>Fe>Pb;Hg和As等含量甚微,均未检出。      

煤矸石制作硅肥技术试验研究

煤矸石制作硅肥时应先对煤矸石进行活化处理。通过在煤矸石中加入助剂,采取高温煅烧方法,研究出了煤矸石中有效硅活化的最佳助剂比例为煤矸石:CaCO₃:Na2CO₃:NaOH=1:0.1:0.5:0.05;煤矸石活化的最佳温度为700℃;最佳煅烧时间为2h;最佳粒度为80目。依据煅烧试验结果,提出了煤矸石制作硅肥的工艺技术。经对试验制成的硅肥成分与有害元素测试,符合国家硅肥标准。      

氨氮在煤矿采空区充填矸石中的运移机制

我国西部多数煤矿区矿井水往往含有较多的生产污水,导致其氨氮含量较高,利用煤矿采空区充填矸石对矿井水进行预处理已成为矿井水及矸石资源化利用的重要措施。以神华神东煤炭集团公司保德矿矸石为充填介质、以矿井水中的氨氮为研究对象,通过模拟采空区的水文地质环境,开展柱模拟实验,结合CXTFIT 2.1软件,研究氨氮在充填矸石中的运移机制,这对于评价煤矿采空区充填矸石对矿井水的预处理效果具有重要意义。结果表明:达西流速3.12 cm/h、25℃时,Cl?在充填矸石中的运移可用CDE模型较好地表征(r2=0.999),较高的纵向弥散系数(D)、溶质分子扩散系数(D_f)、机械弥散系数(D_h)和弥散度(λ)值与充填矸石较大粒径、较长运移距离有关,淋出液中总溶解性固体(TDS)和Cl?的质量浓度呈显著线性关系;双点位吸附溶质运移模型能够较好地表征氨氮的运移过程,氨氮的阻滞系数R为23.79,其在矸石上的平衡吸附点位仅占总吸附点位的46%,一级动力学吸附速率常数α为3.5×10?4 h?1;氨氮的孔隙流速及水动力弥散系数远低于Cl?的数值,这主要与高含量的黏土矿物高岭石对氨氮的吸附有关;在649 h的氨氮运移过程中,亚硝酸盐和硝酸盐氮以及pH值均无明显变化,实验中后期TDS稳定,这进一步证实氨氮在模拟的矸石柱运移过程中以对流、弥散迁移及吸附为主,生物转化作用可以忽略。研究结果可为评价我国煤矿采空区地下水库的水质预处理技术提供重要理论依据。