不同粒徑級配矸石充填材料壓縮性能試驗研究

張大牛

(中鐵十二局集團 第二工程有限公司，山西 太原 030000)

?

不同粒徑級配矸石充填材料壓縮性能試驗研究

張大牛

(中鐵十二局集團 第二工程有限公司，山西 太原 030000)

矸石充填材料的粒徑級配對其壓縮性能有較大的影響。將粒徑100mm以下矸石進行分級，按照中等粒徑占比基本相同、大粒徑占比逐漸增大、小粒徑占比逐漸減小的原則設(shè)計了6組不同粒徑級配方案，在模擬200m埋深覆巖壓力條件下，采用內(nèi)徑405mm鋼制大容器裝載高度為250mm的矸石充填材料進行了壓縮實驗。結(jié)果表明矸石充填材料壓縮過程可分為初步壓實、破裂壓密和整體穩(wěn)定壓實3個階段，壓縮量隨軸向壓力增加呈冪指函數(shù)關(guān)系增長，壓縮量增加速率隨軸向壓力增加而減小，相同壓力下壓縮量隨試樣中小粒徑占比減小而增加。得出了本實驗條件下矸石充填材料壓縮量(S)與小粒徑占比(p)的關(guān)系式：S=111.57-0.70p。

矸石充填材料；粒徑級配；壓力-壓縮量曲線

Experimental Study of Compression Properties of Gangue Filling Material with Different Size Distribution

采煤沉陷是煤炭開發(fā)中不容忽視的問題，常規(guī)垮落法采煤引起的覆巖破壞和地表移動變形給當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境和工農(nóng)業(yè)建(構(gòu))筑物造成了嚴重損害[1]。長期以來，多種減沉開采技術(shù)[2-5]得到實踐和發(fā)展，一定程度上緩解了采動損害問題，解放了大量“三下”壓煤。矸石充填開采即是其中的一種方法。它是隨著回采工作面的推進，將破碎后的矸石采用一定方式輸送到采空區(qū)及時支撐頂板，通過對采出空間的填充達到減小覆層破壞和地表沉降的目的。矸石充填開采具有充填系統(tǒng)簡單、工藝靈活、對工作面推進度影響小等優(yōu)點，近年來在我國多個礦區(qū)得到了推廣應(yīng)用[6-8]，取得了較好的經(jīng)濟社會效益。

充入采空區(qū)的矸石呈散體狀，塊度不等、形狀不一，塊體之間存在著不同程度的空隙，因此矸石充填材料的壓縮率是影響矸石充填開采覆巖沉降量和巖層移動控制效果的重要因素，而矸石充填材料的壓縮率主要取決于粒徑大小和級配關(guān)系。在散體物料級配研究方面，目前應(yīng)用較廣泛的是富勒理論和泰波理論[9-10]，兩者均為連續(xù)級配方案，對降低散體物料壓縮率具有重要的指導(dǎo)價值，但工程應(yīng)用中實現(xiàn)該級配需要的工藝較復(fù)雜、成本較高，而按照相對粗略的大、中、小粒徑進行級配研究則具有較大的現(xiàn)實意義。本試驗在模擬實際覆巖壓力大小的條件下，改變矸石試樣中大、中、小粒徑所占比例，采用大直徑裝載容器，對幾組不同粒徑級配的矸石進行壓縮性能對比試驗，研究結(jié)論可為矸石充填工程粒徑級配設(shè)計提供參考。

1 矸石粒徑級配方案

矸石試驗樣品均取自大同礦業(yè)集團某礦矸石山。原矸的尺寸范圍較寬，大的超過1m，小的呈粉末狀，而粒徑100mm以上的占大多數(shù)。實際充填作業(yè)中，由于工藝和設(shè)備對矸石粒徑的限制，必須將大塊矸石破碎到一定程度方能進行充填。因此本試驗只選取粒徑100mm以下的矸石，為達到實驗?zāi)康?，采用不同網(wǎng)格孔徑的篩子將矸石粒徑分為100～75mm，75～50mm，50～25mm，25～13mm和13～0mm 5個級別，如表1所示。按照中等粒徑(50～25mm)矸石所占比例基本保持不變(20%～30%)、大粒徑(100～50mm)比例逐漸增大、小粒徑(25～0mm)比例逐漸減小的原則，設(shè)計了6組粒徑級配方案，各級別粒徑的質(zhì)量和占比如表2所示。

表1 矸石粒徑級別分類

表2 6組試樣各級別粒徑矸石的質(zhì)量和所占比例

2 試驗裝置及試驗過程

采用最大加載能力為2000kN的INSTRON 1346型電液伺服控制材料試驗系統(tǒng)，加工了內(nèi)徑405mm，壁厚10mm，高度250mm的鋼制裝載容器，錳鋼鍛造的加載板直徑400mm，厚度25mm。

將篩分好的各粒徑級別矸石依照每個方案進行稱重、混合，形成6組不同的矸石充填材料，每組凈重52.0～55.2kg不等。為模擬矸石在實際覆巖壓力作用下的壓縮特征，根據(jù)該礦煤層200m埋深得出覆巖應(yīng)力約5.4MPa，由此確定試驗機最大加載700kN，加載速率1kN/s。

3 壓力-壓縮量特征分析

試驗得到了各組粒徑級配試樣壓力-壓縮量曲線，如圖1所示。

圖1 各組粒徑級配矸石試樣壓力-壓縮量曲線

矸石充填材料試樣壓縮過程具有以下特征：

(1)6組矸石充填材料試樣壓力-壓縮量曲線形態(tài)相似，均符合冪指函數(shù)關(guān)系。根據(jù)壓力-壓縮量曲線，壓縮過程可大致劃分為3個階段：

初步壓實階段 在軸向應(yīng)力作用下，矸石塊體間互相擠壓，空隙減小，在較低載荷作用下試樣壓縮量快速增加，即較小的應(yīng)力下產(chǎn)生較大的應(yīng)變。

矸石破裂壓密階段 隨著軸向應(yīng)力的增加，矸石之間的相互作用力和擠壓程度越來越高，粒徑大的、較堅硬的矸石也不斷被壓斷碎裂，空隙被進一步填充，試樣體積收縮明顯。在這一過程中可以明顯聽到矸石破壞的爆裂聲，強度由稀疏弱小到密集強烈，隨軸向壓力繼續(xù)增加爆裂聲又復(fù)為稀疏和弱化。與第一階段相比，矸石壓實過程由微破裂為主向以破裂壓密為主的過程轉(zhuǎn)變，壓力-壓縮量曲線呈明顯的上凹特征。

矸石穩(wěn)定壓實階段 當軸向壓力增加到一定程度時，大部分矸石在壓力作用下破碎、變形，矸石間的空隙被擠壓填實，試樣壓密成近似整體結(jié)構(gòu)。即使在較大的壓力作用下，壓縮增量很小，壓力-壓縮量曲線表現(xiàn)為近似較陡的傾斜直線，如圖1所示，試樣壓縮前后外觀對比如圖2所示。

圖2 矸石試樣壓縮前后對比

(3)當軸向壓力最終達到700kN時，試樣1～6壓縮量分別為59.89mm，61.03mm，53.99mm，74.60mm，76.98mm和80.69mm，如表3所示。結(jié)合各矸石試樣的粒徑級配特點可以看出，粒徑級配對壓縮量具有明顯的影響，壓縮量隨試樣中小粒徑矸石占比增加而減小，隨大粒徑矸石占比增加逐漸增加。因此，在實際充填工程中，應(yīng)盡可能采用小粒徑矸石進行充填。

表3 試樣1～6矸石充填材料最終壓縮量及應(yīng)變

(4)以小粒徑矸石在試樣中所占比例p(%)為X坐標、壓縮量S(mm)為Y坐標，繪制出本試驗條件下矸石試樣最終壓縮量與試樣中小粒徑矸石所占比例之間的關(guān)系，如圖3所示，并用線性回歸法得到特征方程如下：S=111.57-0.70p。

圖3 本試驗條件下矸石壓縮量與試樣中小粒徑矸石所占比例的關(guān)系

4 結(jié) 論

(1)矸石充填材料壓縮過程可分為初步壓實、破裂壓密和整體穩(wěn)定壓實3個階段，壓力-壓縮量曲線呈冪指數(shù)關(guān)系，壓縮量增加率隨軸向壓力增加而減小，壓縮量的大部分發(fā)生于前期。

(2)100mm以下不同粒徑級配矸石試樣壓縮試驗表明，粒徑級配對壓縮性能具有明顯的影響，相同壓力條件下，壓縮量隨試樣中小粒徑矸石占比增加而減小，隨大粒徑矸石占比增加逐漸增加。得出了本實驗條件下矸石試樣壓縮量(S)與小粒徑矸石占比(p)的關(guān)系式：S=111.57-0.70p。

(3)在實際充填工程中，應(yīng)盡可能采用小粒徑矸石進行充填，以取得較好的巖層移動控制效果。

[1]張華興.煤礦開采損害的評價與防護[J].煤礦開采，2015，20(3)：1-2，20.

[2]張華興.對“三下”采煤技術(shù)未來的思考[J].煤礦開采，2011，16(1)：1-3，31.

[3]崔 鋒，張華興，劉鵬亮，等.沙漠邊緣煤礦風(fēng)積砂膏體充填保水開采研究[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2011，39(2)：10-13.

[4]黃晉兵，田錦州，張占濤，等.王臺鋪煤礦高水材料旺格維利充填開采技術(shù)研究與實踐[J].煤礦開采，2016，21(1)：73-76.

[5]陳紹杰，尹大偉，曹俸瑋，等.煤礦綜合減沉技術(shù)及其發(fā)展前景[J].中國礦業(yè)，2015，24(12)：104-108.

[6]胡炳南，張文海，高慶潮，等.矸石充填巷式開采永久煤柱試驗研究[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2006，34(11)：46-48.

[7]楊錄勝，趙 通，劉正和，等.大采高工作面矸石充填開采技術(shù)效果分析[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2015，43(4)：19-22.

[8]胡建勇.采空區(qū)矸石充填新方法研究與應(yīng)用[J].煤炭與化工，2015，38(5)：83-84，87.

[9]胡炳南，郭愛國.矸石充填材料壓縮仿真實驗研究[J].煤炭學(xué)報，2009，34(8)：1076-1080.

[10]朱川曲，周 澤，李青鋒，等.矸石充填材料壓縮力學(xué)特性試驗研究[J].湖南科技大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2015，30(4)：1-6.

[責(zé)任編輯：李 青]

2016-04-18

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.06.004

張大牛(1979-)，男，陜西咸陽人，工程師，主要從事隧道工程施工方面的工作。

張大牛.不同粒徑級配矸石充填材料壓縮性能試驗研究[J].煤礦開采，2016，21(6)：15-17.

TD853.34

B

1006-6225(2016)06-0015-03