充填膏體長期穩(wěn)定性研究

魯建國 張志勇 張新國,3 李飛帆 王星宇

(1.內(nèi)蒙古自治區(qū)煤炭工業(yè)專業(yè)技術(shù)服務(wù)中心，內(nèi)蒙古自治區(qū)呼和浩特市，010010；2.山東科技大學(xué)礦業(yè)與安全工程學(xué)院，山東省青島市，266590；3.山東科技大學(xué)礦山災(zāi)害預(yù)防控制省部共建國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，山東省青島市，266590)

隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，對煤炭資源的開發(fā)利用程度不斷加劇，“三下一上”(建筑物下、鐵路下、水體下及承壓水上)壓煤開采已成為我國尤其是中東部煤礦可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。膏體充填技術(shù)作為一種與環(huán)境相融合的開采方法，在開采“三下一上”壓煤與處理煤礦固體廢棄物等方面具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會價值。充填膏體的長期穩(wěn)定性是膏體充填技術(shù)成敗的關(guān)鍵，對地表沉陷的控制效果及應(yīng)用起著決定性的作用。因此系統(tǒng)研究充填膏體的長期穩(wěn)定性有利于評價充填效果和指導(dǎo)安全生產(chǎn)。

目前，國內(nèi)對膏體充填技術(shù)的研究主要側(cè)重膏體充填材料力學(xué)性質(zhì)與充填材料配比方面，而對于充填材料在特定地質(zhì)條件下形成充填膏體的穩(wěn)定性研究較少。本文以岱莊煤礦膏體充填工作面為例，通過現(xiàn)場取芯，借助巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)，對膏體長期穩(wěn)定性進(jìn)行了系統(tǒng)分析研究。

1 膏體試件制取

1.1 現(xiàn)場膏體取樣

選取岱莊煤礦工作面為現(xiàn)場取樣地點(diǎn)，鑒于混凝土28 d后能夠達(dá)到長期強(qiáng)度，膏體試件取30 d內(nèi)充填體，結(jié)合該礦的實(shí)際情況，按照3 d一個循環(huán)，每循環(huán)充填4 m計算，鉆孔深度至少取40 m以上，鉆孔取樣如圖1所示。

1.2 標(biāo)準(zhǔn)試件制取

根據(jù)巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)規(guī)范，實(shí)驗(yàn)采用50 mm鉆頭取芯，制成標(biāo)準(zhǔn)巖樣為?50 mm×100 mm的圓柱形，現(xiàn)場取芯后均密封保存，以確保與現(xiàn)場有相同的濕度和含水率。膏體標(biāo)準(zhǔn)式樣如圖2所示。

圖2 膏體標(biāo)準(zhǔn)試件

2 巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)

膏體在膏體充填技術(shù)中主要起置換建(構(gòu))筑物下煤的作用，膏體的長期強(qiáng)度大小關(guān)系到充填膏體能否保持長期穩(wěn)定，因此，需要對該礦工作面膏體試件及岱莊煤炭充填工作面3煤進(jìn)行了巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)。通過室內(nèi)試驗(yàn)得出充填膏體的長期強(qiáng)度與所置換煤的強(qiáng)度之間的關(guān)系，進(jìn)而研究充填膏體的長期穩(wěn)定性，實(shí)驗(yàn)在山東科技大學(xué)礦山災(zāi)害預(yù)防控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室MTS815.03巖石伺服實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上進(jìn)行。

2.1 膏體拉伸實(shí)驗(yàn)

膏體充填之后，作為地層的一部分，在上覆巖層載荷的作用下，首先發(fā)生拉伸破壞，因此膏體長期強(qiáng)度對采空區(qū)充填及覆巖地表控制具有重要的作用，同時研究其抗拉強(qiáng)度有助于了解膏體長期強(qiáng)度。

實(shí)驗(yàn)按巖石試樣標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，采用巴西圓盤法間接拉伸，部分破壞后的試件如圖3所示，巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1，膏體試件抗拉強(qiáng)度與孔深的關(guān)系如圖4所示。

圖3 拉伸破壞后部分試件

圖4 膏體試件抗拉強(qiáng)度與孔深的關(guān)系

2.2 膏體壓縮實(shí)驗(yàn)

膏體抗壓強(qiáng)度是指膏體在單軸壓力作用下達(dá)到破壞的極限強(qiáng)度，在數(shù)值上等于破壞時的最大壓應(yīng)力，為了解膏體在上覆巖層載荷作用下所能承受的壓力及變形情況，對膏體進(jìn)行了單軸壓縮實(shí)驗(yàn)。

表1 巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)加載方式采用位移控制，峰前加載速度采用0.1 mm/s，峰后加載速度采用0.2 mm/s，部分破壞后的試件如圖5所示，膏體試件抗壓強(qiáng)度與孔深的關(guān)系如圖6所示，膏體彈性模量與孔深的關(guān)系如圖7所示，膏體試件泊松比與孔深的關(guān)系圖如8所示。

圖5 壓縮破壞后部分試件

圖6 膏體試件抗壓強(qiáng)度與孔深的關(guān)系

圖7 膏體彈性模量與孔深的關(guān)系

圖8 膏體試件泊松比與孔深的關(guān)系

2.3 3煤壓縮實(shí)驗(yàn)

為了明確充填膏體長期強(qiáng)度與煤強(qiáng)度之間關(guān)系，現(xiàn)對該礦膏體充填工作面3煤進(jìn)行了單軸壓縮實(shí)驗(yàn)，以便分析膏體能否達(dá)到長期穩(wěn)定。3煤單軸壓縮實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2，3煤單軸壓縮全應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系如圖9所示。

圖9 3煤單軸壓縮全應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

由表1、圖4、圖6、圖7、圖8、表2和圖9可以看出：

(1)膏體的力學(xué)參數(shù)離散型較大。彈性模量是衡量物體抵抗彈性變形能力大小的尺度，其值越大，使充填體發(fā)生一定彈性變形的應(yīng)力也越大，充填膏體穩(wěn)定性就越強(qiáng)，反之發(fā)生彈性變形越大，穩(wěn)定性越差。該礦充填膏體彈性模量為409.70～1036.044 MPa，平均為701.93 MPa，該值與其他類型的充填材料相比，膏體充填材料的彈性模量較大，因此該礦充填膏體彈性模量有利于控制地表沉陷，僅從彈性模量的角度考慮充填膏體的穩(wěn)定性較好。

表2 3煤單軸壓縮實(shí)驗(yàn)結(jié)果

(2)泊松比是橫向變形與縱向變形的比值，反映了充填材料橫向變形的程度。由巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)得充填膏體泊松比為0.00043～0.045819，平均為0.0248，泊松比偏低。因此，充填膏體在上覆巖層的作用下不會產(chǎn)生太大的橫向變形，充填膏體的穩(wěn)定性較好。

(3)30 d膏體的整體強(qiáng)度較好，平均抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度分別為0.953 MPa和5.81 MPa；30 d充填體的單軸抗壓強(qiáng)度(5.81 MPa)小于3煤式樣的單軸抗壓強(qiáng)度(14.41 MPa)。鑒于該礦原膏體充填工作面采用的是條帶開采，條帶充填膏體的強(qiáng)度及所承受的荷載與3煤相比出現(xiàn)明顯差異，因此必須評價充填膏體的穩(wěn)定性。

3 膏體長期穩(wěn)定性分析

根據(jù)煤柱極限強(qiáng)度理論，要保證條帶充填膏體的長期穩(wěn)定性，一般應(yīng)有1.5～2.0倍的安全系數(shù)，見式(1)：

(1)

式中：F——充填體的安全系數(shù)；

σp——充填膏體強(qiáng)度，MPa；

Pp——充填膏體承受載荷，MPa。

充填膏體承受載荷計算公式見式(2)：

(2)

式中：γ——充填膏體上覆巖層平均容重，MN/m3；

H——充填膏體埋深，m；

We——條帶采空區(qū)寬度，m；

Wp——條帶充填膏體寬度，m。

3.1 膏體原位強(qiáng)度計算

尺寸效應(yīng)是表征材料的力學(xué)性能隨幾何尺寸變化而變化的關(guān)系，和煤體強(qiáng)度一樣，充填膏體強(qiáng)度隨試樣尺寸的增加，其測定的強(qiáng)度值逐漸減小，一些學(xué)者通過室內(nèi)試驗(yàn)提出了實(shí)驗(yàn)室試樣測試強(qiáng)度與礦山充填體原位強(qiáng)度之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，認(rèn)為礦山井下充填體原位強(qiáng)度大約為實(shí)驗(yàn)室條件下6 英寸(152mm)標(biāo)準(zhǔn)試樣強(qiáng)度值的三分之二。

北京礦冶研究總院郭利杰采用下列4種不同規(guī)格試模：70.7mm×70.7mm×70.7mm，?72mm×144mm，?85mm×170mm，?152mm×304mm，通過尾砂膠結(jié)充填體配比試驗(yàn)，研究尾砂膠結(jié)充填體強(qiáng)度與試樣尺寸和幾何形狀的關(guān)系，進(jìn)行充填體試樣尺寸效應(yīng)對比試驗(yàn)，充填體尺寸與單軸抗壓強(qiáng)度關(guān)系如圖10所示。

圖10 充填體尺寸與單軸抗壓強(qiáng)度關(guān)系

由圖10可以看出，在相同條件下膠結(jié)充填體強(qiáng)度在試驗(yàn)范圍內(nèi)隨試樣尺寸的增加而減小，呈非線性變化；不同試樣水平的膠結(jié)充填體尺寸和強(qiáng)度關(guān)系曲線近似平行；從70.7mm增加到72mm時關(guān)系曲線急劇下降，從?72mm增加到?85 和?152mm時關(guān)系曲線變化比較平緩；當(dāng)試樣尺寸達(dá)152mm左右，其抗壓強(qiáng)度降低較小，曲線趨近水平。因此，煤礦充填膏體極限尺寸取160mm。

根據(jù)Hustrulid實(shí)驗(yàn)室煤樣強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為現(xiàn)場臨界立方體試件的強(qiáng)度計算公式，確定煤礦充填膏體原位強(qiáng)度計算公式見式(3)：

(3)

式中：σm——立方體充填膏體的原位強(qiáng)度，MPa；

σc——實(shí)驗(yàn)室充填體試樣平均單軸抗壓強(qiáng)度，MPa；

D——實(shí)驗(yàn)室圓柱體試樣的直徑或立方體試樣的邊長，m；

L——實(shí)驗(yàn)室充填試樣的極限尺寸，m。

將充填膏體凝固1個月后試樣的平均單軸抗壓強(qiáng)度為5.81MPa，圓柱體試樣的直徑為50mm，高度為100mm，膠結(jié)充填膏體試樣的極限尺寸按160mm代入式(3)，得出膠結(jié)充填膏體試塊凝固1個月后的原位強(qiáng)度為3.25MPa；3煤標(biāo)準(zhǔn)圓柱形試件平均單軸抗壓強(qiáng)度為14.41MPa，圓柱體試件的直徑為50mm，高度為100mm，3煤的極限尺寸按900mm代公式(3)，得出3煤的原位強(qiáng)度為3.29MPa。

由計算結(jié)果可知，充填30d后膏體原位強(qiáng)度與3煤原位強(qiáng)度相差不大；同時，根據(jù)膏體的水化時間與強(qiáng)度的關(guān)系，一個月后膏體的強(qiáng)度為最終強(qiáng)度的80%左右，因此充填膏體的最終原位強(qiáng)度為4.06MPa。

3.2 充填膏體安全系數(shù)計算

根據(jù)Bieniawski煤柱強(qiáng)度計算公式計算充填膏體強(qiáng)度見式(6)：

σp=σm(0.64+0.36Wp/h)n

(6)

式中：h——充填膏體的高度，m；

n——當(dāng)Wp/h>5時，n為1.4；當(dāng)Wp/h<5時，n為1。

已知工作面位置最大埋深為450m，覆巖平均容重為0.025MN/m3，充填膏體原位強(qiáng)度4.06MPa，充填膏體高度取平均值2.7m，將上述參數(shù)代入極限強(qiáng)度理論計算公式(1)，得出條帶充填膏體安全系數(shù)為5.8，遠(yuǎn)大于充填體穩(wěn)定性安全系數(shù)2.0，充填膏體能夠保持長期穩(wěn)定性。所以該礦充填膏體可滿足礦井的安全生產(chǎn)，對提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益具有重要的意義。

4 結(jié)論

(1)借助巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究了充填膏體及煤的強(qiáng)度，研究結(jié)果表明，充填膏體力學(xué)參數(shù)離散性較大，抗拉強(qiáng)度為0.21～2.71MPa，平均為0.95MPa；單軸抗壓強(qiáng)度為3.57～9.04MPa，平均為5.81MPa，煤的單軸壓縮強(qiáng)度為14.41MPa，比膏體的長期強(qiáng)度大，需評價膏體的穩(wěn)定性；彈性模量為409.70～1036.044MPa，平均為701.93MPa；泊松比為0.00043～0.045819，平均為0.0248，泊松比偏低；充填膏體力學(xué)性能參數(shù)隨著孔深增加而增大。

(2)通過理論分析得充填膏體的原位強(qiáng)度為4.06MPa，煤的原位強(qiáng)度為3.39MPa,膏體安全性系數(shù)為5.8，遠(yuǎn)大于充填體穩(wěn)定性安全系數(shù)2.0，充填膏體能夠保持長期穩(wěn)定性。

(3)通過理論分析得出，該礦充填膏體原位強(qiáng)度較高，通過膏體充填技術(shù)代替條帶開采能夠安全釋放壓煤，有利于延長礦井服務(wù)年限，以產(chǎn)生巨大的社會價值和經(jīng)濟(jì)效益。