矸石膠結(jié)充填體力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)研究

樊海艷，郭忠平，黃萬(wàn)朋

(1.棗莊科技職業(yè)學(xué)院 電氣工程系，山東 滕州 277500；2.山東科技大學(xué) 礦業(yè)與安全工程學(xué)院，山東 青島 266590)

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矸石膠結(jié)充填體力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)研究

樊海艷1，郭忠平2，黃萬(wàn)朋2

(1.棗莊科技職業(yè)學(xué)院 電氣工程系，山東 滕州 277500；2.山東科技大學(xué) 礦業(yè)與安全工程學(xué)院，山東 青島 266590)

[摘要]根據(jù)某煤礦工程地質(zhì)條件，確定采用矸石膠結(jié)巷旁充填體進(jìn)行留巷。為了尋求承載性能優(yōu)良、可縮性好、留巷成本低的矸石膠結(jié)巷旁充填材料，對(duì)充填料的配比進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)優(yōu)化研究，根據(jù)對(duì)試樣力學(xué)性能的分析，獲得了最優(yōu)的充填料漿配比為水泥∶粉煤灰∶砂石∶矸石骨料∶水= 3.7∶1∶3.8∶29.6∶9.5，早強(qiáng)劑用量為整體質(zhì)量的1.2%。同時(shí)對(duì)該材料配比的充填體試件進(jìn)行了力學(xué)壓縮實(shí)驗(yàn)，研究了承載性能，得到充填體試件4d強(qiáng)度能達(dá)到6.9MPa，14d強(qiáng)度能達(dá)到11.8MPa，平均彈性模量在14d齡期為1900.9MPa，可縮性較強(qiáng)；在三軸壓縮條件下，充填體壓縮破壞后仍具有很高的殘余強(qiáng)度，其承載能力良好。

[關(guān)鍵詞]矸石；膠結(jié)充填體；材料配比；力學(xué)性能

[引用格式]樊海艷，郭忠平，黃萬(wàn)朋.矸石膠結(jié)充填體力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)研究[J].煤礦開(kāi)采，2015，20(6)：83-86，66.

巷旁支護(hù)是沿空留巷的關(guān)鍵技術(shù)。我國(guó)早期采用的巷旁支護(hù)多以料石砌筑、木垛、叢柱等形式進(jìn)行支護(hù)。這類巷旁支護(hù)存在諸多缺點(diǎn)，如壓縮量大，增阻速度慢，不能及時(shí)有效地抑制工作面后方巷道的位移和變形等。另外，采用該類支護(hù)后，巷道密閉性能也較差，因此不能有效地抑制采空區(qū)漏風(fēng)和自然發(fā)火等現(xiàn)象。實(shí)踐表明，巷旁膠結(jié)充填是一項(xiàng)先進(jìn)的護(hù)巷技術(shù)[1-6]。近幾年來(lái)，我國(guó)采礦科技工作者在巷旁充填材料研制方面進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。中國(guó)礦業(yè)大學(xué)研制的高水泵送速凝材料在井下的應(yīng)用[3，7-8]，開(kāi)灤唐山礦20%～25%水泥兌碎石巷旁充填材料的成功應(yīng)用等都極大地推動(dòng)了巷旁充填技術(shù)的變革與發(fā)展。由于我國(guó)各地區(qū)煤層賦存條件相差較大，各礦區(qū)技術(shù)裝備水平和充填材料渠道來(lái)源各有不同，因此選擇適用于工程現(xiàn)場(chǎng)的巷旁充填材料具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

某礦工程現(xiàn)場(chǎng)對(duì)巷旁膠結(jié)充填材料的基本要求是：成本低、來(lái)源廣、充填密閉性好、有一定的可縮性；膠結(jié)材料早期強(qiáng)度≥2MPa，后期強(qiáng)度≥10MPa，坍落度≥200mm，滿足泵送要求。

1巷旁膠結(jié)充填體材料組成

煤礦井下常用的充填材料可以分為惰性材料、膠凝材料和改性材料三大類[9]。根據(jù)某礦現(xiàn)場(chǎng)工程條件，擬確定井下惰性材料為碎矸料、小顆粒砂子，膠凝材料為水泥和粉煤灰，并加入早強(qiáng)劑等其他改性材料，最終加入適量水并按照一定比例制成巷旁充填材料。

1.1惰性矸石料

惰性矸石料是充填料的主體，其中矸石料的粒度特性對(duì)膠結(jié)充填體的強(qiáng)度及特性影響較大，良好級(jí)配的矸石骨料應(yīng)當(dāng)是孔隙率較小且密實(shí)性較大的集合體，并應(yīng)確保有較好的承載性能和一定的滲透率。目前所使用充填體的集料組成仍無(wú)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，這主要取決于各自的采礦方法與工藝及不同的充填材料來(lái)源[9-10]。本次充填材料選用惰性材料的細(xì)集料為砂石，粗集料為粒度小于30mm的矸石。

1.2膠結(jié)材料

主要膠結(jié)料選用32.5號(hào)普通硅酸鹽水泥和粉煤灰，水泥的物理性能見(jiàn)表1。

表1　普通32.5號(hào)硅酸鹽水泥物理性能

水泥含量是充填料漿配比設(shè)計(jì)中最為重要的一項(xiàng)參數(shù)，它既決定了充填體最終的抗壓強(qiáng)度，同時(shí)也極大地影響著充填所需成本。粉煤灰是從燃煤的熱電廠鍋爐煙氣中收集到的細(xì)粉末，充填體試件在添加粉煤灰后其平均單軸抗壓強(qiáng)度比不添加粉煤灰時(shí)的強(qiáng)度要高，且加入粉煤灰后可以使充填體后期強(qiáng)度大幅度提高。另外，摻入適量的粉煤灰還改善了輸送效果，減少了泵送管路的磨損[9-10]。

1.3改性材料

礦山井下充填時(shí)經(jīng)常使用早強(qiáng)劑和減水劑作為充填料漿的添加劑[10-11]。早強(qiáng)劑的作用機(jī)理是與水泥礦物成分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，提高充填體早期強(qiáng)度和縮短凝結(jié)時(shí)間；減水劑能減少拌合料的用水量，提高充填料漿的濃度。

1.4用水量

膠結(jié)材料中的用水量應(yīng)當(dāng)滿足水泥的水化作用，集料的吸附以及充填料漿的泵送需求。充填材料中的用水量可用充填料漿質(zhì)量濃度來(lái)控制。

2矸石膠結(jié)充填材料配比研究

采用沿空留巷技術(shù)會(huì)使預(yù)留巷道經(jīng)受2次采動(dòng)影響，礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈，因此對(duì)巷旁充填體的材料配比及力學(xué)性能有較高的要求。首先巷旁支護(hù)體要具備較高的支護(hù)阻力，既能切落一定高度的直接頂，又能控制基本頂巖層的下沉量；同時(shí)支護(hù)體要具有一定的可縮性來(lái)適應(yīng)基本頂巖層的運(yùn)動(dòng)，給基本頂巖層進(jìn)行一定程度的讓壓。為了使充填體達(dá)到上述力學(xué)性能，需要對(duì)矸石膠結(jié)巷旁充填體的材料配比進(jìn)行專門研究，以期達(dá)到最優(yōu)的巷旁支護(hù)效果。

2.1實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

由于充填材料的多樣性，因此采用正交試驗(yàn)法設(shè)計(jì)矸石膠結(jié)充填材料配比的實(shí)驗(yàn)方案。正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)通過(guò)利用正交表來(lái)安排與分析多因素試驗(yàn)，即在全部水平組合中挑選部分具有代表性的水平組合進(jìn)行試驗(yàn)。通過(guò)分析部分試驗(yàn)結(jié)果以掌握全部試驗(yàn)的情況，最終確定最合理的水平組合[12]。

采用3水平、4因素的正交試驗(yàn)，配比因素確定為粉煤灰摻量、充填材料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、砂石摻量和早強(qiáng)劑用量，根據(jù)基礎(chǔ)配比各調(diào)整出3個(gè)水平進(jìn)行試驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)[13]。調(diào)整后的各因素和水平見(jiàn)表2。充填體每個(gè)養(yǎng)護(hù)齡期要做9次試驗(yàn)。

表2　因素與水平

2.2試件制作及實(shí)驗(yàn)設(shè)備

充填體試件制作成100mm×50mm的標(biāo)準(zhǔn)試件，如圖1所示。養(yǎng)護(hù)不同的齡期后對(duì)試件進(jìn)行分類，每個(gè)齡期3個(gè)試件。

圖1　各齡期試件

充填體試件的單軸壓縮實(shí)驗(yàn)在MTS815.03電液伺服巖石實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上進(jìn)行，獲取不同齡期充填體的強(qiáng)度指標(biāo)。MTS815.03電液伺服巖石實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是當(dāng)前國(guó)內(nèi)性能最先進(jìn)、配置最優(yōu)、在國(guó)際上認(rèn)可度最高的巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備。

2.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析及配比選擇

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，各個(gè)齡期充填體的單軸抗壓強(qiáng)度與坍落度結(jié)果見(jiàn)表3。

表3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在計(jì)算機(jī)上對(duì)表3中的數(shù)據(jù)進(jìn)行極差分析計(jì)算，得出結(jié)果見(jiàn)表4。

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得到以下主要結(jié)論：

表4　極差計(jì)算結(jié)果

(1)質(zhì)量濃度因素B為影響矸石膠結(jié)充填體坍落度的主要因素，從坍落度角度上選擇充填體材料的最優(yōu)配比為A3B1(B2)C2D1。

(2)以充填體的單軸抗壓極限強(qiáng)度分析，粉煤灰的摻量是影響7d齡期內(nèi)充填體抗壓強(qiáng)度的主要因素。早強(qiáng)劑主要影響充填體早期的抗壓強(qiáng)度(一般在7d以內(nèi))，而充填體后期強(qiáng)度的變化主要受惰性材料含量的影響。

(3)根據(jù)沿空留巷對(duì)充填體的力學(xué)性能要求，主要考察其早期強(qiáng)度(1d)、后期強(qiáng)度(14d)來(lái)選擇較優(yōu)的材料配比，將充填體試件的抗壓強(qiáng)度條件與坍落度條件統(tǒng)一考慮，最終確定優(yōu)選結(jié)果為A1B1C1D1方案。

(4)將水泥和矸石骨料的比例按1∶8作為基礎(chǔ)配比，所選方案的充填料漿配比最終確定為水泥∶粉煤灰∶砂石∶矸石骨料∶水= 3.7∶1∶3.8∶29.6∶9.5，早強(qiáng)劑的含量占到總體質(zhì)量的1.2%。

3矸石膠結(jié)充填體力學(xué)承載性能實(shí)驗(yàn)研究

3.1單軸壓縮實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)選擇的最優(yōu)材料配比制作標(biāo)準(zhǔn)充填體試件，采用MTS巖石伺服試驗(yàn)機(jī)對(duì)不同齡期的矸石膠結(jié)充填體試件進(jìn)行單軸壓縮實(shí)驗(yàn)，獲得不同齡期條件下試件全應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖2所示。

圖2　各不同齡期試件單軸壓縮全應(yīng)力—應(yīng)變曲線

從圖2中的曲線可以看出，針對(duì)不同齡期的試件，其全應(yīng)力-應(yīng)變曲線形狀基本一致，并具有相同的變形規(guī)律。充填體試件在壓縮變形過(guò)程中經(jīng)歷了內(nèi)部空隙壓實(shí)、彈性變形、塑性變形、應(yīng)力軟化和殘余變形5個(gè)階段。根據(jù)試驗(yàn)曲線顯示該配比充填體4d強(qiáng)度能達(dá)到6.9MPa，14d強(qiáng)度能達(dá)到11.8MPa，且1d，4d，7d和14d齡期的充填體試件的殘余強(qiáng)度分別占到單軸抗壓強(qiáng)度的46%，32%，28%以及26%。經(jīng)分析可知，當(dāng)峰值強(qiáng)度增大時(shí)，相對(duì)殘余強(qiáng)度反而會(huì)減小。充填體極限強(qiáng)度所對(duì)應(yīng)的應(yīng)變量約為8.6×10-3，說(shuō)明該配比下膠結(jié)充填體的可縮性是良好的。

3.2三軸壓縮實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

分別研究矸石膠結(jié)充填體試件在三軸壓縮條件下1d，4d以及14d齡期各強(qiáng)度和力學(xué)特性，各齡期選取2個(gè)試件，每個(gè)試件所施加的圍壓分別為1MPa和2MPa，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

表5　試件三軸壓縮極限強(qiáng)度

根據(jù)三軸壓縮實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果，利用數(shù)學(xué)線性回歸分析方法得到回歸方程，并且得到最優(yōu)配比的充填體試件在不同齡期的剪切強(qiáng)度參數(shù)，見(jiàn)表6。實(shí)驗(yàn)得到的不同圍壓時(shí)三軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖3、圖4所示。

表6　強(qiáng)度參數(shù)

圖3　1MPa圍壓時(shí)不同齡期試件全應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖4　2MPa圍壓時(shí)不同齡期試件全應(yīng)力-應(yīng)變曲線

分析矸石膠結(jié)充填體試件三軸壓縮實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及不同齡期全應(yīng)力-應(yīng)變曲線可以說(shuō)明：

(1)當(dāng)所施加圍壓一致時(shí)，矸石膠結(jié)充填體試件的三軸極限抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng)基本呈線性增長(zhǎng)的趨勢(shì)。

(2)隨著圍壓的增大，矸石膠結(jié)充填體試件的三軸極限抗壓強(qiáng)度也逐漸增大，且與內(nèi)摩擦角φ和黏聚力C呈正比關(guān)系。充填體試件在14d齡期時(shí)的內(nèi)摩擦角已達(dá)到49°，黏聚力值已達(dá)到2.34MPa，抗剪能力較單軸壓縮時(shí)明顯增強(qiáng)。

(3)試件在三軸壓縮變形過(guò)程中基本可分為彈性變形和塑性變形兩個(gè)階段。彈性階段內(nèi)曲線近似呈直線型分布，變形特點(diǎn)與單軸壓縮時(shí)的情形近似；塑性階段內(nèi)充填體表現(xiàn)為應(yīng)力基本保持不變、應(yīng)變持續(xù)增加的現(xiàn)象，說(shuō)明充填體達(dá)到了極限強(qiáng)度后出現(xiàn)了塑流狀態(tài)，且與巖石試件單軸壓縮變形特征區(qū)別較大。

(4)在1d齡期時(shí)，充填體具有一定的塑性強(qiáng)化特征，而在4d，14d齡期的曲線中并沒(méi)有體現(xiàn)出該特性。

(5)矸石膠結(jié)充填體試件三軸壓縮破壞后其殘余強(qiáng)度值仍處于較高水平，該值與三軸極限強(qiáng)度值并無(wú)較大區(qū)別，說(shuō)明當(dāng)圍壓較高時(shí)，即使試件處于破裂后階段，仍具有較高的承載性能。

4結(jié)論

(1)實(shí)驗(yàn)室研究表明，適合于現(xiàn)場(chǎng)工程條件的最優(yōu)材料配比為：水泥∶粉煤灰∶砂石∶矸石骨料∶水=3.7∶1∶3.8∶29.6∶9.5，早強(qiáng)劑用量為整體質(zhì)量的1.2%。該配比充填體4d強(qiáng)度能達(dá)到6.9MPa，14d強(qiáng)度能達(dá)到11.8MPa，平均彈性模量在14d齡期為1900.9MPa，可縮性較強(qiáng)，能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)的工程要求。

(2)實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，水泥和粉煤灰用量是充填體材料早強(qiáng)強(qiáng)度的最主要影響因素，矸石骨料的相對(duì)含量主要影響充填體的后期強(qiáng)度，早強(qiáng)劑對(duì)材料的早期強(qiáng)度有一定影響。

(3)單軸壓縮狀態(tài)下全應(yīng)力-應(yīng)變過(guò)程中的矸石膠結(jié)充填體試件的應(yīng)力軟化過(guò)程較為明顯。當(dāng)超過(guò)極限抗壓強(qiáng)度時(shí)，試件并不會(huì)完全喪失承載能力，而存在有一定的殘余強(qiáng)度。

(4)三軸壓縮實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)齡期和圍壓增加時(shí)，矸石膠結(jié)充填體試件的三軸極限抗壓強(qiáng)度也隨之增加；較早齡期的充填體試件具有一定的塑性變形特征，而中晚齡期的試件并無(wú)該特點(diǎn)；在較高圍壓作用下，矸石膠結(jié)充填體在破裂后階段內(nèi)仍存在很高的殘余強(qiáng)度，表明充填體試件承載性能良好。

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[責(zé)任編輯：徐乃忠]

Experiment of Mechanics Properties of Gangue Cementing Stowing Body

FAN Hai-yan1，GUO Zhong-ping2，HUANG Wan-peng2

(1.Electric Engineering Department，Zaozhuang Scientific Vocational Institute，Tengzhou 277500，China；

2.Mining & Safety Engineering School，Shandong University of Science & Technology，Qingdao 266590，China)

Abstract：Gangue cementing stowing body was selected for retaining roadway along gob for a mine.In order to find stowing material with excellent bearing capability，yielding，and low cost，the experiment of material matching was made.By analyzing mechanics properties of test samples，optimal stuff ratio was obtained that cement：fly ash∶sand∶gangue∶water was 3.7∶1∶3.8∶29.6∶9.5 and that cement hardener amount was 1.2% of whole mass.Compression of the stowing body showed its strength reached 6.9MPa in 4d，and 11.8MPa in 14d，its average elastic modulus reached 1900.9MPa in 14d，and it had large flexibility.Under triaxial compression condition，stowing body still had high residual strength after compression failure，which showed its good bearing capacity.

Keywords：gangue；cementing stowing body；material matching；mechanics property

[作者簡(jiǎn)介]樊海艷(1982-)，女，山東濟(jì)寧人，碩士，講師，從事礦業(yè)工程教學(xué)與科研工作。

[基金項(xiàng)目]山東省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(ZR2012EEM022)

[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2015.06.022

[收稿日期]2015-04-22

[中圖分類號(hào)]TD315

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

[文章編號(hào)]1006-6225(2015)06-0083-04