采后充填固體充填材料力學(xué)特性測試研究

趙昕楠,節(jié)茂科,張吉雄

(1.煤炭科學(xué)研究總院檢測分院,北京 100013;2.冀中能源股份有限公司,河北邢臺 054000;3.中國礦業(yè)大學(xué),江蘇徐州 221116)

采后充填固體充填材料力學(xué)特性測試研究

趙昕楠1,節(jié)茂科2,張吉雄3

(1.煤炭科學(xué)研究總院檢測分院,北京 100013;2.冀中能源股份有限公司,河北邢臺 054000;3.中國礦業(yè)大學(xué),江蘇徐州 221116)

采用物理化學(xué)測試方法,檢測分析了矸石與粉煤灰充填材料礦物成分、壓實度、流變等力學(xué)特性,研究了不同配比條件下含水量、密度,影響充填材料壓實度及流變特性時間相關(guān)特性曲線,得出了最佳壓實度和密度的矸石與粉煤灰的混合比例及充填料變形主要在加載初期。

采后充填;固體充填材料;力學(xué)特性測試

冀中能源股份有限公司邢臺礦與中國礦業(yè)大學(xué)合作,在 2007年 6月 -2009年 9月進(jìn)行了 “建下”采充一體綜合機(jī)械化試驗,并獲得了成功。試驗以矸石與粉煤灰混合物作為充填材料,既解決了煤礦建筑物下大量的優(yōu)質(zhì)煤炭開采,又解決了礦洗煤廠和電廠每年所產(chǎn)生的大量洗選矸石和粉煤灰的排放處理問題。以前國內(nèi)外對矸石和粉煤灰的物理特性進(jìn)行了大量研究,取得了許多研究成果。但對其受壓時間相關(guān)性方面的研究相對較少,對于煤矸石與粉煤灰等材料混合配比后的壓實特性及其流變特性的研究還是空白。這次采后充填試驗中,矸石與粉煤灰力學(xué)測試研究是非常重要的內(nèi)容之一。

1 矸石與粉煤灰物理化學(xué)特性

1.1 矸石與粉煤灰礦物成分

測試采用的儀器為D/Max-3B型 X射線衍射儀,定性分析標(biāo)準(zhǔn)是利用粉末衍射聯(lián)合會國際數(shù)據(jù)中心 (JCPDS-I CDD)提供的各種物質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)粉末衍射資料 (PDF),按照標(biāo)準(zhǔn)分析方法進(jìn)行對照分析。分析結(jié)果表明,洗選矸石主要成分是石英、高嶺石,有部分伊利石、伊蒙混層、部分非晶物質(zhì)煤或其他物質(zhì);粉煤灰主要成分是非晶物質(zhì),含有略多的石英,還有部分莫來石、伊利石和少量的方解石、CaSO4,長石等礦物。

定量分析按 GB5225-86的 K值法進(jìn)行,洗選矸石和粉煤灰 X-射線衍射圖譜如圖 1所示。

圖1 X—射線衍射圖譜

1.2 致密度簡析

通過 SEM電鏡掃描,得到不同分辨率條件下的各類圖片、矸石概貌粗粒礦物間多鑲嵌分布、壓實特征明顯、結(jié)構(gòu)較為致密、粗大孔洞及裂隙不發(fā)育,未見明顯層狀分布規(guī)律。粉煤灰概貌多角顆粒多為亞毫米顆粒,基本未見微珠及漂珠結(jié)構(gòu)顆粒。

1.3 含水量測試

試驗采用 JA2003電子精密天平,YZH1-30遠(yuǎn)紅外自控焊條烘箱測試。分別對 6組試樣含水量進(jìn)行測試,在自然狀態(tài)下洗選矸石的含水量均值為2.28%,粉煤灰的含水量均值為 21.17%。

1.4 化學(xué)成分測試

洗選矸石與粉煤灰的礦物組成直接影響充填材料的工程性質(zhì)。其化學(xué)成分及化學(xué)元素含量測試結(jié)果如表 1、表2所示。

表1 洗選矸石與粉煤灰化學(xué)成分

表2 化學(xué)元素

2 矸石與粉煤灰的力學(xué)特性

2.1 試驗內(nèi)容

(1)試驗?zāi)康募皟?nèi)容 通過對洗選矸石與粉煤灰不同配比條件下壓實特性的測試,分析各種配比條件下各組試樣的壓實力與變形量的關(guān)系,并得出最有利于現(xiàn)場充填的配比條件。同時進(jìn)行矸石與粉煤灰混合充填材料的時間相關(guān)性試驗,得出不同壓力條件下矸石與粉煤灰混合充填材料時間相關(guān)特性變化特征。

(2)試驗設(shè)備及條件 采用美國MTS公司的MTS815.02電液伺服巖石力學(xué)試驗系統(tǒng)。矸石與粉煤灰配比混合充填材料設(shè)計試驗的壓應(yīng)力范圍為 0～30MPa,加載速率為 0.1MPa/s。每組測試的時間為 300s,數(shù)據(jù)每 1.0s采集 1次。每組不同配比的試驗做 3次,以防止試驗過程中出現(xiàn)無效數(shù)據(jù)等情況,確保試驗數(shù)據(jù)的真實有效性。

(3)流變特性試驗方案設(shè)計 分別取矸石粉煤灰配比為 1∶1,1∶0.8,1∶0.6,0.8∶1的方案進(jìn)行流變特性試驗,保持軸向應(yīng)力 7.5MPa不變,每個配比方案的壓實試驗時間為 10h。

2.2 矸石與粉煤灰壓實特性

壓實度 k的定義為充填材料在壓實過程中,受外力作用而被壓實的程度,用壓實后的體積Vys與原松散狀態(tài)下的總體積Vs之比來表示。

充填材料的壓實度 k隨著壓實力σ的增大而減小,特別在初始階段,由于材料的松散程度較大,因此,產(chǎn)生的壓縮量較大,壓實度 k變化較快。由試驗結(jié)果知,當(dāng)矸石與粉煤灰配比為 1∶0.31時,二者體積的差值最小,其值為 0.066,見圖 2。表明在此配比條件下,壓實力從 1.5MPa變化至 7.5MPa時,壓實的變形量很小,也即表明此時的充填材料經(jīng)夯實以后,給予覆巖層的有效變形空間非常小,可以較好地控制采場頂板,以達(dá)到限定覆巖層的移動、控制地表變形的目的。

圖 2 矸石與粉煤灰配比 1∶0.31條件下壓實度隨壓實力變化曲線

2.3 矸石與粉煤灰的流變特性

選取部分矸石與粉煤灰進(jìn)行流變特性試驗。試驗中達(dá)到軸向應(yīng)力的時間控制在 1～2min,應(yīng)力保持在 7.5MPa,并對所測數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析整理,得到流變特性曲線如圖 3所示。

圖 3 矸石與粉煤灰配比 1∶0.31條件下的時間相關(guān)特性

曲線擬合函數(shù)為:

由圖 3可知:

(1)充填材料的壓實變形主要在加載階段完成,且其周期較短 (一般在 2～3h),其恒定應(yīng)力作用下的變形一般為總變形量的 6.2%。

(2)在現(xiàn)場配比為 1∶0.31的條件下,總變形量為 21.16%。充填材料一般在 1.5h左右趨于穩(wěn)定,由時間相關(guān)特性函數(shù)可知變形量已達(dá)到21.06%。

3 現(xiàn)場充填材料基本特性測試

在現(xiàn)場充填過程中,根據(jù)充填的具體情況要對充填材料作一定的調(diào)整,充填材料性質(zhì)的改變對最終的充填效果有較大的影響。對現(xiàn)場的充填材料取樣進(jìn)行相關(guān)的特性測試試驗,測試內(nèi)容包括充填材料的含水量、壓實特性以及流變特性。

3.1 充填材料含水量測試

為了使試驗的數(shù)據(jù)更為精確,更具有代表性,選取機(jī)頭、工作面中部和機(jī)尾位置的充填材料進(jìn)行含水量的測試。測試分為 3組,每組取樣 2份,試驗過程中需要對大塊的矸石樣品進(jìn)行研磨。對最終得到的數(shù)據(jù)結(jié)果取平均值,最終得到現(xiàn)場充填材料的測試結(jié)果平均含水量為 9.18%。

3.2 充填材料壓實特性測試與分析

(1)試驗方案 壓實測試時對現(xiàn)場所取的 9份樣品進(jìn)行試驗。應(yīng)力最終加載至 20MPa,相當(dāng)于800m埋深自重應(yīng)力,應(yīng)力加載速率 0.083MPa/s,加載時間約 4min。數(shù)據(jù)采集量包括:軸向應(yīng)力、軸向力、軸向位移、軸向應(yīng)變和變形模量。

(2)試驗數(shù)據(jù)分析 壓實度 k可簡化為應(yīng)變ε的表達(dá)式:

根據(jù)所測的 9組數(shù)據(jù)中變形量的平均值,可得到現(xiàn)場充填材料的壓實特性曲線,如圖 4所示。

圖 4 現(xiàn)場充填材料壓實度隨壓實力變化曲線

由圖 4可知:

(1)充填材料的壓實度 k隨著壓實力σ的增大而減小,特別在初始階段,由于材料的松散程度較大,因此,產(chǎn)生的壓縮量較大,表現(xiàn)為壓實度 k變化較快。

(2)在 0～2.5MPa范圍內(nèi),壓實度降幅最大;隨后從 2.5～10MPa階段中,壓實度變化速度放緩;當(dāng)應(yīng)力超過 10MPa后,壓實趨于穩(wěn)定,壓實度值變化很小,最終停留在 0.87。

3.3 充填材料密度變化測試與分析

充填材料的密度作為一個重要參數(shù),對于整個充填工藝的設(shè)計至關(guān)重要。對壓實過程中充填材料的密度進(jìn)行測試,分析其值隨壓實力的變化規(guī)律。現(xiàn)場充填材料密度隨壓實力變化曲線如圖 5所示。

圖 5 現(xiàn)場充填材料密度隨壓實力變化曲線

由圖 5可知:

(1)現(xiàn)場充填材料密度隨著壓實力的增大是遞增的,前期增幅較大;但隨著壓實度的逐漸增大,其變化量逐漸減少,表現(xiàn)為后期曲線較為平緩。

(2)在自然松散狀態(tài)下的密度為 1.42t/m3,加載至 1.5MPa時密度增至 1.50t/m3,最終加載至20MPa時為 1.65t/m3。

3.4 流變特性測試與分析

選取 3份矸石與粉煤灰進(jìn)行時間相關(guān)性試驗,即在壓實鋼筒內(nèi)使充填物料承載固定的垂直壓力,并保持一定時間,觀察采集試樣的應(yīng)變量。試驗中達(dá)到軸向應(yīng)力的時間控制在 1～2min,應(yīng)力保持在7.5MPa,得到時間相關(guān)性特性曲線如圖 6所示。

圖 6 現(xiàn)場充填材料的時間相關(guān)特性

由圖 6可知:

(1)充填材料的變形量主要發(fā)生在加載初期,此階段的變形量為 8.7%;壓力穩(wěn)定后的變形量為2.8%,最終的總變形量為 11.5%。

(2)結(jié)合對現(xiàn)場充填材料的密度測試結(jié)果進(jìn)行分析,最終認(rèn)為在保證充填效果的前提下,充填過程中每采 1t煤至少需要充填 0.83t的矸石與粉煤灰混合充填材料。

4 結(jié)論

(1)充填材料的壓實度k隨著壓實力σ的增大而減小,當(dāng)初超過 10MPa時,其值停留在 0.87。當(dāng)矸石與粉煤灰配比為 1∶0.31時,二者體積差最小,為 0.066。

(2)充填材料的密度隨壓實力的增大是遞增的。加載至 20MPa,密度為 1.65t/m3。

(3)在保證充填效果的前提下,充填過程中每采 1t煤至少需要充填 0.83t的矸石與粉煤灰混合充填材料。

(4)充填材料的變形量主要發(fā)生在加載初期,此階段的變形量為 8.7%;壓力穩(wěn)定后的變形量為2.8%,最終的總變形量為 11.5%。

[1]王新民,姚 建,張欽禮,等 .煤矸石作為膠結(jié)充填骨料性能的實驗研究 [J].礦業(yè)快報,2006(3).

[2]韓朝軍,李延?xùn)| .邢臺礦粉煤灰充填技術(shù)可行性研究 [J].中國礦山工程,2006(4).

[3]河北金牛股份有限公司,等 .邢臺礦 “建下”綜合機(jī)械化充填采煤技術(shù)研究報告 [R].2008.

[責(zé)任編輯:李宏艷]

M echan ics Properties Test of StowingMaterial for Backfilling Gob

ZHAO Xin-nan1,J IEMao-ke2,ZHANG Ji-xiong3

(1.TestingBranch,China Coal Research Institute,Beijing 100013,China;2.Jizhong Energy Co.,Ltd,Xingtai 054000,China; 3.China University ofMining&Technology,Xuzhou 221116,China)

This paper analyzedmineral composition,compaction degree,rheological behavior ofwaste rock and fly ash by physical and chemical testmethod.It researched influence of water content and density on compaction degree of stowing material and rheological time-correlate curve under different proportioning conditions.It obtained proportion ofwaster rock and fly ash with optimal compaction degree and density and the conclusion that stowingmaterial defor mation wasmainly in loading initial stage.

stowing aftermining;solid stowingmaterial;mechanics property test

TD315

A

1006-6225(2010)05-0018-03

2010-07-29

趙昕楠 (1985-),女,河北邢臺人,助理工程師,現(xiàn)從事煤礦井下用液壓制品檢測方面的研究工作。