葫蘆素煤礦煤矸石充填材料壓實(shí)特性試驗(yàn)研究

劉永強(qiáng),張 鵬

(1.中天合創(chuàng)能源有限責(zé)任公司,內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017399;2.中煤能源研究院有限責(zé)任公司,陜西 西安 710054)

0 引言

近年來,國(guó)家對(duì)環(huán)境保護(hù)問題非常重視,針對(duì)煤炭行業(yè)出臺(tái)了多項(xiàng)政策鼓勵(lì)“充填開采”綠色開采技術(shù)研究[1],充填開采技術(shù)不僅是處理“三下壓煤”的關(guān)鍵技術(shù),而且可以解決煤矸石等固廢材料地面堆積造成的環(huán)境問題[2-4]。固體充填采煤技術(shù)是常用的一種充填開采技術(shù),通過將生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的矸石、粉煤灰等固廢材料充入采空區(qū),可以有效處理矸石并控制頂板下沉,而固體充填采煤技術(shù)對(duì)頂板的控制效果主要取決于其充實(shí)率[5-7],因此固廢充填材料壓實(shí)特性的研究是非常重要的。

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)固廢充填材料壓實(shí)特性做了大量研究,朱川曲等[8]對(duì)不同粒徑、不同級(jí)配矸石進(jìn)行了壓縮實(shí)驗(yàn),研究發(fā)現(xiàn)連續(xù)級(jí)配矸石抗變形能力最好;劉鵬亮、張大牛、肖猛等[9-11]通過側(cè)限壓縮試驗(yàn),研究了矸石初步壓實(shí)、破裂壓密和整體穩(wěn)定壓實(shí)3個(gè)階段矸石材料的變形特征;李猛等[12]測(cè)試了不同充填材料的壓實(shí)特性,得到了采高、采深等因素對(duì)充實(shí)率的影響規(guī)律;辛恒奇等[13]通過設(shè)計(jì)浸水矸石側(cè)限壓縮試驗(yàn),得到了散體矸石浸水后的力學(xué)性能及抗變形能力。由此可以看出,國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)矸石等固廢材料的壓實(shí)性能進(jìn)行了大量的研究,取得大量成果,但對(duì)自然配比、不同級(jí)配、不同配比條件下固廢材料壓實(shí)特性的橫向?qū)Ρ妊芯肯鄬?duì)較少。以葫蘆素煤礦煤為研究背景,全面研究了自然配比、不同級(jí)配、不同配比條件下矸石等固廢材料的壓實(shí)特性,并得到了壓實(shí)性能最優(yōu)的固廢材料配比,研究結(jié)論可為工程材料配比設(shè)計(jì)提供參考。

1 試驗(yàn)材料及測(cè)試方案

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及原理

破碎矸石孔隙率測(cè)試主要通過核磁共振分析儀器進(jìn)行測(cè)試;壓實(shí)特性測(cè)試試驗(yàn)采用MTS電液伺服系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試,將固體充填材料放入自制的圓柱形壓實(shí)缸進(jìn)行側(cè)限壓縮實(shí)驗(yàn),使用MTS勻速加載實(shí)驗(yàn)缸內(nèi)矸石材料,如圖1所示,工作原理如圖2所示。

圖2 壓實(shí)實(shí)驗(yàn)原理示意

1.2 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1.2.1 破碎矸石孔隙率測(cè)試

為了最大限度還原現(xiàn)場(chǎng)充填矸石的原始狀態(tài),將矸石破碎成適合現(xiàn)場(chǎng)充填粒徑以后,隨機(jī)選取不同形狀與粒徑的矸石用自來水在常溫下浸泡120 h,使其處于完全飽和狀態(tài)。采用低頻核磁共振儀對(duì)矸石進(jìn)行測(cè)試。首先將低頻核磁共振分析儀實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的溫度與濕度調(diào)節(jié)到適合該儀器進(jìn)行測(cè)試的環(huán)境,之后打開核磁共振儀器進(jìn)行調(diào)試、定標(biāo)。將原先浸泡好的矸石樣本取出測(cè)量質(zhì)量與體積,之后將其表面的水分擦拭干凈放入測(cè)試試管內(nèi),將試管放入指定測(cè)試位置進(jìn)行測(cè)試。

1.2.2 自然配比煤矸石壓實(shí)特性測(cè)試

使用MTS勻速加載實(shí)驗(yàn)缸內(nèi)粒徑小于50 mm的自然配比矸石,加載最大應(yīng)力為葫蘆素煤礦應(yīng)用工作面所在埋深最大垂直應(yīng)力,煤層埋深約為640 m,對(duì)應(yīng)最大垂直應(yīng)力為16 MPa,為提高實(shí)驗(yàn)精確性,本次實(shí)驗(yàn)共進(jìn)行6組重復(fù)試驗(yàn)(1#～6#)。

1.2.3 不同級(jí)配煤矸石壓實(shí)特性測(cè)試

通過分級(jí)篩,篩分出不同粒徑范圍的矸石,并分別測(cè)試重量,計(jì)算其占自然配比矸石總質(zhì)量的比重,如圖3所示。本次實(shí)驗(yàn)選擇總粒徑范圍為0～50 mm,分別篩分0～5 mm、5～10 mm、10～20 mm、20～30 mm、30～40 mm和40～50 mm共6組粒徑范圍的散體材料,并稱重計(jì)算占比。通過篩分實(shí)驗(yàn)得到的不同粒徑范圍散體矸石,進(jìn)行粒徑配比,配比粒徑比重均設(shè)定為等比例,范圍組合共分為6組:1#(0～5 mm)、2#(0～10 mm)、3#(0～20 mm)、4#(0～30 mm)、5#(0～40 mm)、6#(0～50 mm)。分別對(duì)6組不同級(jí)配散體矸石進(jìn)行壓實(shí)實(shí)驗(yàn)。

圖3 不同口徑分級(jí)篩

1.2.4 不同配比固廢材料壓實(shí)特性測(cè)試

目前,國(guó)內(nèi)可用于充填的固體散體材料,主要有矸石、粉煤灰、氣化渣、黃土、黃沙、非煤礦山尾礦等。這些材料根據(jù)其本身物理力學(xué)特性和粒徑分布情況,一般被劃分為:粗骨料(主骨料)、細(xì)骨料和輔料。根據(jù)葫蘆素煤礦可處理固體廢棄物范圍,以洗選矸石作為主骨料(粒徑范圍0～50 mm),粉煤灰作為輔料(粒徑范圍<0.5 mm),并以細(xì)磨矸石作為細(xì)骨料(粒徑范圍0～2 mm,細(xì)骨料一般較輔料更能高效提升壓實(shí)特性),實(shí)驗(yàn)材料如圖4所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)材料

對(duì)3種不同材料進(jìn)行配比,并以MTS伺服系統(tǒng)分別進(jìn)行壓實(shí)測(cè)試,配比方案共分6組,每組的配比方式見表1。

表1 各組實(shí)驗(yàn)方案固體充填材料配比

2 結(jié)果與分析

2.1 自然堆積矸石孔隙率

將實(shí)驗(yàn)室測(cè)試分析所得自然堆積矸石孔隙率及小于0.1 μm的孔徑占比數(shù)據(jù)繪制出如圖5、圖6所示柱狀圖。由圖可知,將矸石破碎成適合充填的粒徑后,其孔隙度在8.6%左右,孔徑主要以孔徑小于0.1 μm的微型孔徑為主。從充填矸石自身的微觀角度分析,充填矸石在受到充填液壓支架后部夯實(shí),機(jī)構(gòu)夯實(shí)或者受到頂板壓縮時(shí),多次破碎矸石比較致密,具有良好的承載能力,且矸石內(nèi)部的孔隙對(duì)其變形量影響較小,可忽略不計(jì)。故矸石在壓實(shí)過程中,其變形主要由矸石堆積之后形成的空隙不斷被壓實(shí)、被更小粒徑的矸石充填導(dǎo)致。

圖5 矸石微孔隙率分布

圖6 矸石中小于0.1 μm的孔徑占比

2.2 自然配比煤矸石壓實(shí)特性

如圖7所示,在16 MPa軸向載荷壓縮后的散體矸石均已高度密實(shí)和膠結(jié),有效孔隙幾乎完全閉合,且矸石材料(尤其是粒徑較大矸石)出現(xiàn)斷裂。

圖7 自然配比壓實(shí)特性測(cè)試實(shí)拍照片(部分)

1#～6#實(shí)驗(yàn)測(cè)試的散體矸石殘余碎脹系數(shù)對(duì)應(yīng)曲線如圖8所示,視密度變化曲線如圖9所示。隨著應(yīng)力的增大散體矸石殘余碎漲系數(shù)迅速下降,其視密度相應(yīng)升高,當(dāng)應(yīng)力達(dá)到3 MPa后其變化幅度逐漸減小最終趨于穩(wěn)定。在Pmax=16 MPa條件下自然配比散體矸石的最小碎脹系數(shù)分別為1.11、1.073、1.183、1.053、1.072、1.017,平均值為1.085;視密度最大分別為2.248 t/m3、2.326 t/m3、2.093 t/m3、2.391 t/m3、2.354 t/m3、2.410 t/m3,平均值為2.304 t/m3。在16 MPa條件下,散體矸石碎脹系數(shù)低于1.1,其視密度大幅度增加,表明散體矸石材料已經(jīng)高度密實(shí)。

圖8 自然配比散體矸石殘余碎脹系數(shù)變化曲線

圖9 自然配比散體矸石視密度變化曲線

1#～6#實(shí)驗(yàn)測(cè)試的應(yīng)力應(yīng)變對(duì)應(yīng)(應(yīng)力-壓實(shí)度)曲線如圖10所示。應(yīng)力在0～2 MPa范圍內(nèi),矸石顆粒間間隙迅速被壓縮,矸石應(yīng)變量呈線性增長(zhǎng);應(yīng)力在2～6 MPa范圍內(nèi),矸石間隙已基本壓縮完畢,矸石顆粒開始破碎并充入較小的空隙中,矸石壓縮呈對(duì)數(shù)形式增長(zhǎng);當(dāng)應(yīng)力大于6 MPa后,矸石間隙被破碎后進(jìn)一步充實(shí),矸石壓縮應(yīng)變量開始趨于穩(wěn)定。在Pmax=16 MPa條件下6組自然配比壓實(shí)特性測(cè)試的最大應(yīng)變分別為0.39、0.48、0.35、0.42、0.41、0.44,平均值為0.415,表明在自然配比條件下矸石整體壓縮量較大,不適宜直接運(yùn)用到充填工作中。

圖10 自然配比壓實(shí)特性測(cè)試應(yīng)力應(yīng)變曲線

2.3 不同級(jí)配煤矸石壓實(shí)特性

不同粒徑范圍壓實(shí)特性測(cè)試實(shí)拍照片如圖11所示。由圖片可以明顯看出,在16 MPa載荷下,所有試樣在壓縮后均高度密實(shí)和膠結(jié),大粒徑矸石均出現(xiàn)破斷情況。

圖11 不同粒徑范圍壓實(shí)特性測(cè)試實(shí)拍照片(部分)

不同粒徑范圍矸石壓實(shí)特性測(cè)試應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖12所示。不同級(jí)配矸石壓實(shí)過程與自然配比條件下較為一致,不同級(jí)配矸石側(cè)限壓縮達(dá)到緩慢變形階段的應(yīng)變分別為0.256 6、0.308 7、0.309 4、0.441 4、0.410 6、0.356 9,隨著粒徑范圍增大,由于有效孔隙比重增加,最大壓實(shí)度也隨之增加,矸石應(yīng)變量最大值出現(xiàn)在0～30 mm粒徑范圍內(nèi),且由0～20 mm到0～30 mm時(shí)變化幅度較大。綜合考慮矸石研磨成本及壓實(shí)性能,矸石材料最佳級(jí)配范圍為0～20 mm,其應(yīng)變值遠(yuǎn)小于自然配比煤矸石材料。

圖12 不同粒徑矸石壓實(shí)特性測(cè)試應(yīng)力應(yīng)變曲線

2.4 不同配比固廢材料壓實(shí)特性

1#～6#不同配比固廢材料的壓實(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖13所示。6種配比固廢材料側(cè)限壓縮達(dá)到緩慢變形階段的應(yīng)變分別為0.37、0.41、0.35、0.33、0.29、0.32,3#～6#加入粉煤灰后固廢材料抗應(yīng)變能力明顯提高,且5#和6#應(yīng)變量最小。結(jié)果表明,增加粉煤灰輔料可以明顯提高混合材料壓實(shí)性能,當(dāng)粗矸、細(xì)矸與粉煤灰配比為0.6∶0.3∶0.1和0.7∶0.2∶0.1時(shí),壓實(shí)性能最佳。

3 結(jié)論

(1)將矸石破碎成適合充填的粒徑后,孔隙度在8.6%左右,孔徑主要以小于0.1 μm的微型孔徑為主。從充填矸石自身的微觀角度去分析,充填矸石在壓實(shí)過程中,變形主要由矸石堆積之后形成的空隙不斷被壓實(shí)、被更小粒徑的矸石充填導(dǎo)致。

(2)在Pmax=16 MPa條件下,矸石材料有效孔隙幾乎完全閉合,且粒徑較大矸石材料出現(xiàn)斷裂,自然配比矸石散體材料壓實(shí)特性測(cè)試的最大應(yīng)變平均值為0.415,矸石整體壓縮量較大,不適宜直接運(yùn)用到充填工作中。

(3)不同粒徑范圍內(nèi)矸石應(yīng)變量最大值出現(xiàn)在0～30 mm粒徑范圍內(nèi),且由0～20 mm到0～30 mm時(shí)變化幅度較大,綜合考慮矸石研磨成本及其壓實(shí)性能,矸石材料最佳級(jí)配范圍為0～20 mm,其應(yīng)變值遠(yuǎn)小于自然配比煤矸石材料。

(4)粉煤灰輔料可以明顯提高混合材料壓實(shí)性能,當(dāng)粗矸、細(xì)矸與粉煤灰配比為0.6∶0.3∶0.1和0.7∶0.2∶0.1時(shí),壓實(shí)性能最佳。