基于 Python-Abaqus 优化煤矸石−矿井水 充填材料配合比
煤矸石制备充填材料规模化应用既能缓解堆积引发的环境压力，又能显著降低采矿充填成 本。通过骨料致密堆积技术优化材料结构，是推动充填材料低碳化与性能提升的核心策略。基于 煤矸石多级破碎工艺 (粗/细双粒级) 与高矿化度矿井水协同作用，开发新型低碳膏体充填材料体系。 创新性构建基于 Abaqus-Python 的细观建模方法，实现二维随机多边形与三维随机凹凸多面体骨料 的参数化生成，结合 Fuller 理论方程与试验级配曲线验证模型精度 (最优 R2=0.985)，并分析了充 填材料的重金属及无机盐离子的浸出特征。引入裹浆厚度的概念，揭示浆体−骨料体积效应，建立 煤矸石−矿井水多尺度协同设计方法，并制备 C5/C10 (28 d 抗压强度分别为 5、10 MPa)2 类典型充 填材料样品来验证设计的可靠性。研究表明：细观骨料模型可以生成任意级配的二维随机多边形、 三维随机凹凸骨料模型，其中 3 号 (粗细骨料 7∶3) 试样骨料所占体积比最高为 65.5%。粗细骨料 7∶3 (3 号) 与 6∶4 (4 号) 配比时，级配曲线趋近 Fuller 理想状态；3 号试样 28 d 抗压强度达 9.7 MPa，较 5 号、6 号试样提升 38.20%～41.40%；3 号试样浸出指标符合 GB 5085.3—2007 与 GB/T 14848—2017 限值要求；C5 与 C10 最优裹浆厚度分别为 14～20 与 23～32 μm，28 d 强度均 满足工程标准。基于 Python-Abaqus 优化骨料配合比，协同矿井水制备煤矸石−矿井水充填材料， 将为固废基充填材料低碳制备与矿井水资源化利用提供技术范式，并为后期煤矸石−矿井水充填材 料的静力学数值模拟开拓思路。图 5. 不同煤矸石级配下充填材料二维随机凸多边形模型图 6. 不同煤矸石级配下充填材料三维随机凹凸 多面体模型图图 7 .骨料级配拟合曲线与 Fuller 曲线比较图 8 .不同矸石级配下充填材料抗压强度随养护时间的变化建立的骨料细观模型可以满足投放随机性与级配分布的合理性要求，且通过 Fuller 级配理论及试验验证了模型的准确性。3 号试样浸出毒性指标 满 足 GB 5085.3—2007 及 GB/T 14848—2017 限 值 要求。以矿井水为拌和水显著提高了充填材料的性 能：3 号样品 28 d 的抗压强度相比于 6 号样品增加了 41.40%。说明矿井水中大量的硫酸盐和氯化物可作 为煤矸石活性的激发剂，促进煤矸石中具有潜在活性 的物质发生水化反应，生成水硬性物质。基于裹浆厚度理论的配合比设计，明确 C5、 C10 工况下最优浆膜厚度区间。通过修正 Bolomey 公式所得到的水灰比可满足不同设计强度等级煤矸 石−矿井水膏体充填材料的配合比设计需求。
