基于最佳級(jí)配的矸石膠結(jié)充填體變形和破壞特征試驗(yàn)研究

李新旺，趙新元，程立朝，秦義嶺

（1.河北工程大學(xué) 礦業(yè)與測(cè)繪工程學(xué)院，河北 邯鄲056038；2.河北工程大學(xué) 河北省高校煤炭資源開(kāi)發(fā)與建設(shè)應(yīng)用技術(shù)研發(fā)中心，河北 邯鄲056038）

矸石材料直接充填入采空區(qū)，如果不添加膠凝材料，會(huì)形成1 種松散的堆積體，其穩(wěn)定性和抗壓能力不佳，對(duì)限制上覆巖層的運(yùn)移下沉作用有限[1-3]。在煤礦實(shí)際生產(chǎn)中，以矸石為骨料并摻入適量的輔料和膠凝材料的充填方法借鑒了金屬礦山領(lǐng)域的膠結(jié)充填方法，主要應(yīng)用于采空區(qū)充填甚至沿空留巷巷旁支護(hù)，取得了良好的充填效果[4-8]。

充填體抗壓變形規(guī)律和破壞特征是礦山膠結(jié)充填開(kāi)采技術(shù)研究的重要內(nèi)容，為實(shí)際充填過(guò)程中的充填材料優(yōu)化、充填體穩(wěn)定性的分析以及巖體工程災(zāi)害的預(yù)防治理提供重要依據(jù)，是實(shí)現(xiàn)井下安全高效綠色開(kāi)采的關(guān)鍵[9-12]。目前專(zhuān)家學(xué)者們主要對(duì)各種巖石試件[13-14]、廢石尾砂充填體[15-16]、混凝土[17-18]、充填膏體[19]等材料進(jìn)行了單軸壓縮試驗(yàn)，對(duì)其抗壓性能和破壞形式等力學(xué)性質(zhì)也進(jìn)行了研究，然而鮮有對(duì)不加輔料的矸石在最佳級(jí)配條件下與水泥混合形成的膠結(jié)充填體進(jìn)行抗壓強(qiáng)度、變形特性以及破壞特征方面的研究。為此通過(guò)對(duì)不同泰波系數(shù)下的連續(xù)級(jí)配矸石進(jìn)行壓縮，找到矸石的最佳級(jí)配，并摻入常見(jiàn)的膠結(jié)材料-水泥，研究矸石膠結(jié)充填體在一定養(yǎng)護(hù)齡期下的強(qiáng)度和變形特性以及充填體試件破壞形態(tài)，為井下矸石膠結(jié)充填開(kāi)采應(yīng)用提供參考。

1 矸石最佳級(jí)配選擇

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)采用的加載設(shè)備為長(zhǎng)春新科YA-600 型微機(jī)控制全自動(dòng)壓力試驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)機(jī)加載方式采用力加載，加載速率為0.1 kN/s，每1 s 記錄1 次數(shù)據(jù)。試驗(yàn)中所采用的矸石最大粒徑為40 mm，根據(jù)能源行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NB/T 51019—2014《固體充填物料壓實(shí)特性測(cè)試方法》及有關(guān)文獻(xiàn)[20]，試驗(yàn)矸石壓實(shí)模具形狀設(shè)計(jì)為封底圓形鋼筒，內(nèi)徑為120 mm，壁厚10 mm，高度200 mm，設(shè)計(jì)的壓實(shí)鋼筒在壓縮過(guò)程中不會(huì)發(fā)生破壞和變形。試驗(yàn)裝置實(shí)物圖如圖1。

圖1 試驗(yàn)裝置實(shí)物圖Fig 1 Physical diagram of the test device

1.2 試驗(yàn)方案

根據(jù)邢臺(tái)某礦生產(chǎn)排出的矸石粒徑分布情況，選擇占比較多的粒徑不大于40 mm 的矸石作為試驗(yàn)材料，并運(yùn)用泰波理論對(duì)不同粒徑的矸石配比進(jìn)行指導(dǎo)。其中泰波公式表示如下：

式中：P 為矸石各級(jí)粒徑的通過(guò)率，%；d 為矸石各級(jí)粒徑，mm；D 為矸石的最大粒徑，mm；n 為試驗(yàn)指數(shù)，一般取0.3～0.7。

根據(jù)泰波公式，n 取值0.3～0.7，將粒徑小于40 mm 的矸石進(jìn)行篩分配比，得到的連續(xù)級(jí)配矸石配比表見(jiàn)表1。

表1 連續(xù)級(jí)配矸石配比表Table 1 Continuous grading gangue ratio table

1.3 試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)對(duì)不同泰波系數(shù)的連續(xù)級(jí)配矸石進(jìn)行壓縮試驗(yàn)，得到的連續(xù)級(jí)配矸石應(yīng)力應(yīng)變曲線圖如圖2。

圖2 連續(xù)級(jí)配矸石壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.2 Stress-strain curves of continuous graded gangue compression

由圖2 可知，連續(xù)級(jí)配矸石壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線表現(xiàn)為對(duì)數(shù)形態(tài)，隨應(yīng)力不斷增加，應(yīng)變?cè)黾映氏瓤旌舐厔?shì)，應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)趨勢(shì)由快到慢的拐點(diǎn)應(yīng)力約為2 MPa。通過(guò)不同泰波系數(shù)應(yīng)力應(yīng)變曲線對(duì)比發(fā)現(xiàn)，泰波系數(shù)n=0.4 的連續(xù)級(jí)配矸石應(yīng)變最小，說(shuō)明泰波系數(shù)n=0.4 的連續(xù)級(jí)配矸石壓縮率最小，密實(shí)度最高，故選擇此級(jí)配作為本試驗(yàn)充填矸石的最佳級(jí)配。

2 充填體試件單軸壓縮試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

最佳連續(xù)級(jí)配矸石材料雖然壓縮率最小，密實(shí)性最高，但由于本身的松散結(jié)構(gòu)導(dǎo)致直接充填的矸石材料固結(jié)性和穩(wěn)定性不佳，所以需要在松散矸石中摻入膠結(jié)材料，提高充填體的承載性能。試驗(yàn)選擇普通硅酸鹽水泥作為矸石充填的膠結(jié)材料，分析研究不同水泥摻量的膠結(jié)充填體分別在不同養(yǎng)護(hù)齡期條件下的強(qiáng)度及變形特性和充填體破壞形式，為井下矸石充填工程提供參考。試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)見(jiàn)表2。

表2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)表Table 2 Test scheme design table

2.2 試驗(yàn)操作過(guò)程

試驗(yàn)過(guò)程為：首先選擇內(nèi)徑154 mm、高度180 mm 的高強(qiáng)度PVC 圓筒作為矸石水泥混合料的成型模具，在模具內(nèi)壁和底部涂抹1 層潤(rùn)滑油，方便后期脫模；然后每個(gè)試驗(yàn)編號(hào)制作3 個(gè)試件，每個(gè)試件按照最佳連續(xù)級(jí)配配制矸石材料5 kg，在其中摻入試驗(yàn)編號(hào)對(duì)應(yīng)的水泥摻量，水灰質(zhì)量比取0.6，攪拌均勻之后將混合料完全倒入圓筒模具并抹平。由于井下實(shí)際矸石充填過(guò)程中為了增加充填體的致密性和穩(wěn)定性，充填支架上的夯實(shí)機(jī)構(gòu)會(huì)對(duì)充填體進(jìn)行夯實(shí)，夯實(shí)力最大不超過(guò)2 MPa。所以試驗(yàn)需要對(duì)圓筒模具中的矸石水泥混合料進(jìn)行軸向壓實(shí)，壓應(yīng)力定為2 MPa。最后將壓實(shí)過(guò)的試件放置于溫度為（15±2）℃、濕度為80%的養(yǎng)護(hù)室內(nèi)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)齡期為表2 中試驗(yàn)編號(hào)對(duì)應(yīng)的齡期。在試件達(dá)到相應(yīng)的養(yǎng)護(hù)齡期后，對(duì)試件進(jìn)行脫模，并參照GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法》對(duì)充填體試件進(jìn)行單軸壓縮實(shí)驗(yàn)，觀測(cè)試件的單軸抗壓強(qiáng)度變化和試件變形破壞特征。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 強(qiáng)度特性

為了減少試驗(yàn)誤差，真實(shí)反映充填體的抗壓強(qiáng)度，取每組試驗(yàn)編號(hào)下3 個(gè)試件抗壓強(qiáng)度的平均值作為試驗(yàn)觀測(cè)的最終結(jié)果，平均抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)表見(jiàn)表3。

表3 平均抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)表Table 3 Data table of mean compressive strength

由表3 分析可知，相同齡期條件下，隨著水泥摻量的增加，充填體試件單軸抗壓強(qiáng)度峰值也不同程度的增大。通過(guò)對(duì)試件的相同水泥摻量、不同養(yǎng)護(hù)齡期條件下的抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，水泥摻量相同時(shí)，養(yǎng)護(hù)齡期越長(zhǎng)，充填體試件的平均抗壓強(qiáng)度也越大。其中，試驗(yàn)中平均抗壓強(qiáng)度最小值為0.72 MPa，其水泥摻量和養(yǎng)護(hù)齡期在試驗(yàn)組中為最??；水泥摻量為20%的充填體試件在養(yǎng)護(hù)齡期為21 d 條件下的平均抗壓強(qiáng)度最大，達(dá)到6.2 MPa，故在實(shí)際充填應(yīng)用中，為使充填體更好支撐頂板，應(yīng)盡量提高充填體的水泥摻量，并增加養(yǎng)護(hù)齡期，但也要綜合考慮充填成本及礦壓顯現(xiàn)規(guī)律等因素。

3.2 變形特性

為了盡可能真實(shí)的反映充填體的變形特性，減少偶然性誤差，取每組試驗(yàn)編號(hào)下3 個(gè)試件抗壓強(qiáng)度的中間值作為試驗(yàn)觀測(cè)的最終結(jié)果，不同齡期和不同水泥摻量條件下的充填體試件單軸抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)曲線如圖3。

由上圖3 可知，充填體試件達(dá)到峰值強(qiáng)度發(fā)生破壞時(shí)的應(yīng)變普遍較小，范圍在0.02～0.07 之間；充填體達(dá)到峰值強(qiáng)度之后，試件破壞的發(fā)生并不是突發(fā)性的，而是呈現(xiàn)不同程度的緩慢漸進(jìn)的破壞過(guò)程，此時(shí)試件應(yīng)變不斷增加而承載能力緩慢下降，表現(xiàn)出應(yīng)變軟化特性。由圖可知，在峰值強(qiáng)度之后，水泥摻量為5%和10%的試件峰后破壞階段應(yīng)變軟化特性較為顯著，這種峰后破壞時(shí)表現(xiàn)出的應(yīng)變軟化特性對(duì)于充填礦山的安全是有利的。

圖3 充填體應(yīng)力應(yīng)變曲線圖Fig.3 Stress-strain curves of backfill

各個(gè)條件下的充填體試件應(yīng)力應(yīng)變曲線變化程度雖然各不相同，但是與典型的巖石單軸壓縮試驗(yàn)應(yīng)力應(yīng)變?nèi)^(guò)程曲線形態(tài)基本相似，都經(jīng)歷了試件的孔裂隙壓密階段、彈性變形階段、裂隙擴(kuò)展階段和峰后破壞階段等單軸壓縮試驗(yàn)全過(guò)程的4 個(gè)階段，構(gòu)建的充填體試件壓縮破壞應(yīng)力應(yīng)變?nèi)^(guò)程曲線模型如圖4。

圖4 充填體單軸壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線模型Fig.4 Uniaxial compression stress -strain curve model of backfill

3.3 充填體破壞形態(tài)

通過(guò)對(duì)各組充填體試件進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，觀察不同條件下的試件在壓縮過(guò)程中的變化情況，并對(duì)試件達(dá)到峰值強(qiáng)度后發(fā)生破壞后的典型形態(tài)進(jìn)行了分析，破壞形態(tài)實(shí)物圖如圖5。

圖5 破壞形態(tài)實(shí)物圖Fig.5 Physical pictures of failure morphology

由試驗(yàn)觀測(cè)可知，充填體試件發(fā)生破壞的形態(tài)主要有3 種：劈裂破壞、剪切破壞和錐形破壞，其中劈裂破壞在所有充填體試件壓縮破壞形態(tài)中出現(xiàn)次數(shù)最多，且水泥摻量越多，越容易出現(xiàn)劈裂破壞。

試件的劈裂破壞表現(xiàn)為在充填體試件受到軸向壓縮時(shí)，充填體試件內(nèi)部受到張拉應(yīng)力的作用產(chǎn)生1 道縱向貫穿試件的主裂隙，并隨著壓縮的進(jìn)行而橫向擴(kuò)張，同時(shí)在主裂隙擴(kuò)張的基礎(chǔ)上又產(chǎn)生次生裂隙，膠結(jié)性差的小塊體首先開(kāi)始剝落，從外觀看試件發(fā)生膨脹變形，仍具有一定的整體性，但承載能力已經(jīng)大幅下降。充填體試件發(fā)生剪切破壞主要表現(xiàn)為試件上下端面具有良好的完整性，但試件中部存在較多弱面，在壓力的作用下弱面相互貫通，沿上端面邊緣向下產(chǎn)生1 道傾斜的主裂隙，試件被分成上下2 個(gè)整體，并沿中間的主裂隙產(chǎn)生錯(cuò)動(dòng)，同時(shí)在主裂隙基礎(chǔ)上又產(chǎn)生幾道次生裂隙，從而使試件整體破壞，失去承載能力。錐形破壞形態(tài)主要發(fā)生在水泥摻量較少且養(yǎng)護(hù)齡期較短的試件上，上下端面由于受到壓板摩擦約束作用而破壞較小，而試件內(nèi)部并沒(méi)有完全固結(jié)，試件中部孔隙較多且矸石膠結(jié)能力較弱，在無(wú)側(cè)限受壓條件下向外變形剝離散落，最終形成錐形破壞形態(tài)。

4 結(jié) 論

1）通過(guò)對(duì)泰波理論指導(dǎo)下的連續(xù)級(jí)配矸石進(jìn)行壓縮試驗(yàn)，得出粒徑不大于40 mm 的矸石最佳級(jí)配為泰波系數(shù)n=0.4 的矸石級(jí)配。

2）水泥摻量和養(yǎng)護(hù)齡期的增加，有利于增加充填體的強(qiáng)度。充填體單軸壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線與巖石壓縮全過(guò)程曲線相似，均經(jīng)歷了4 個(gè)階段：孔裂隙壓密階段、彈性變形階段、裂隙擴(kuò)展階段和峰后破壞階段等，并構(gòu)建充填體試件壓縮破壞應(yīng)力應(yīng)變?nèi)^(guò)程曲線模型。

3）充填體試件達(dá)到峰值強(qiáng)度后呈現(xiàn)不同程度的應(yīng)變軟化特性，其最終破壞形態(tài)主要有3 種，即劈裂破壞、剪切破壞和錐形破壞，其中劈裂破壞在所有充填體試件壓縮破壞形態(tài)中出現(xiàn)次數(shù)最多，且水泥摻量越多，出現(xiàn)劈裂破壞的概率也越大。