矸石胶结充填体力学性能实验研究_樊海艳.pdf

矸石胶结充填体力学性能实验研究 樊海艳1，郭忠平2，黄万朋2 1. 枣庄科技职业学院 电气工程系，山东 滕州 277500; 2. 山东科技大学 矿业与安全工程学院，山东 青岛 266590 ［ 摘 要］根据某煤矿工程地质条件，确定采用矸石胶结巷旁充填体进行留巷。为了寻求承载 性能优良、可缩性好、留巷成本低的矸石胶结巷旁充填材料，对充填料的配比进行了实验优化研究， 根据对试样力学性能的分析，获得了最优的充填料浆配比为水泥 ∶ 粉煤灰 ∶ 砂石 ∶ 矸石骨料 ∶ 水 3. 7 ∶ 1 ∶ 3. 8 ∶ 29. 6 ∶ 9. 5，早强剂用量为整体质量的 1. 2。同时对该材料配比的充填体试件进行了 力学压缩实验，研究了承载性能，得到充填体试件 4d 强度能达到 6. 9MPa，14d 强度能达到 11. 8MPa， 平均弹性模量在 14d 龄期为 1900. 9MPa，可缩性较强; 在三轴压缩条件下，充填体压缩破坏后仍具有 很高的残余强度，其承载能力良好。 ［ 关键词］矸石; 胶结充填体; 材料配比; 力学性能 ［ 中图分类号］ TD315［ 文献标识码］ A［ 文章编号］ 1006- 6225 201506- 0083- 04 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 com- pression 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 ［ 收稿日期］ 2015－04－22［ DOI］ 10. 13532/j. cnki. cn11－3677/td. 2015. 06. 022 ［ 基金项目］ 山东省自然科学基金资助项目 ZR2012EEM022 ［ 作者简介］ 樊海艳 1982－ ，女，山东济宁人，硕士，讲师，从事矿业工程教学与科研工作。 ［ 引用格式］ 樊海艳，郭忠平，黄万朋 . 矸石胶结充填体力学性能实验研究 ［ J］ . 煤矿开采，2015，20 6 83－86，66. 巷旁支护是沿空留巷的关键技术。我国早期采 用的巷旁支护多以料石砌筑、木垛、丛柱等形式进 行支护。这类巷旁支护存在诸多缺点，如压缩量 大，增阻速度慢，不能及时有效地抑制工作面后方 巷道的位移和变形等。另外，采用该类支护后，巷 道密闭性能也较差，因此不能有效地抑制采空区漏 风和自然发火等现象。实践表明，巷旁胶结充填是 一项先进的护巷技术 ［1－6 ］。近几年来，我国采矿科 技工作者在巷旁充填材料研制方面进行了系统的研 究。中国矿业大学研制的高水泵送速凝材料在井下 的应用 ［3， 7－8 ］，开滦唐山矿20～25水泥兑碎石巷 旁充填材料的成功应用等都极大地推动了巷旁充填 技术的变革与发展。由于我国各地区煤层赋存条件 相差较大，各矿区技术装备水平和充填材料渠道来 源各有不同，因此选择适用于工程现场的巷旁充填 材料具有重要的现实意义。 某矿工程现场对巷旁胶结充填材料的基本要求 是 成本低、来源广、充填密闭性好、有一定的可 缩性;胶结材料早期强度≥2MPa，后期强度≥ 10MPa，坍落度≥200mm，满足泵送要求。 1巷旁胶结充填体材料组成 煤矿井下常用的充填材料可以分为惰性材料、 胶凝材料和改性材料三大类 ［9 ］。根据某矿现场工 程条件，拟确定井下惰性材料为碎矸料、小颗粒砂 子，胶凝材料为水泥和粉煤灰，并加入早强剂等其 他改性材料，最终加入适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体，其中矸石料的粒 度特性对胶结充填体的强度及特性影响较大，良好 级配的矸石骨料应当是孔隙率较小且密实性较大的 38 第 20 卷 第 6 期 总第 127 期 2015 年 12 月 煤矿开采 COAL MINING TECHNOLOGY Vol. 20No. 6 Series No. 127 December2015 ChaoXing 集合体，并应确保有较好的承载性能和一定的渗透 率。目前所使用充填体的集料组成仍无统一标准， 这主要取决于各自的采矿方法与工艺及不同的充填 材料来源 ［9－10 ］。本次充填材料选用惰性材料的细集 料为砂石，粗集料为粒度小于 30mm 的矸石。 1. 2胶结材料 主要胶结料选用 32. 5 号普通硅酸盐水泥和粉 煤灰，水泥的物理性能见表 1。 表 1普通 32. 5 号硅酸盐水泥物理性能 密度/ tm －3 细度/ 凝结时间/h 初凝时间终凝时间 单轴抗压强度/MPa 3d28d 2. 891. 82. 53. 530. 459. 7 水泥含量是充填料浆配比设计中最为重要的一 项参数，它既决定了充填体最终的抗压强度，同时 也极大地影响着充填所需成本。粉煤灰是从燃煤的 热电厂锅炉烟气中收集到的细粉末，充填体试件在 添加粉煤灰后其平均单轴抗压强度比不添加粉煤灰 时的强度要高，且加入粉煤灰后可以使充填体后期 强度大幅度提高。另外，掺入适量的粉煤灰还改善 了输送效果，减少了泵送管路的磨损 ［9－10 ］。 1. 3改性材料 矿山井下充填时经常使用早强剂和减水剂作为 充填料浆的添加剂 ［10－11 ］。早强剂的作用机理是与 水泥矿物成分发生化学反应，提高充填体早期强度 和缩短凝结时间;减水剂能减少拌合料的用水量， 提高充填料浆的浓度。 1. 4用水量 胶结材料中的用水量应当满足水泥的水化作 用，集料的吸附以及充填料浆的泵送需求。充填材 料中的用水量可用充填料浆质量浓度来控制。 2矸石胶结充填材料配比研究 采用沿空留巷技术会使预留巷道经受 2 次采动 影响，矿压显现强烈，因此对巷旁充填体的材料配 比及力学性能有较高的要求。首先巷旁支护体要具 备较高的支护阻力，既能切落一定高度的直接顶， 又能控制基本顶岩层的下沉量; 同时支护体要具有 一定的可缩性来适应基本顶岩层的运动，给基本顶 岩层进行一定程度的让压。为了使充填体达到上述 力学性能，需要对矸石胶结巷旁充填体的材料配比 进行专门研究，以期达到最优的巷旁支护效果。 2. 1实验方案设计 由于充填材料的多样性，因此采用正交试验法 设计矸石胶结充填材料配比的实验方案。正交试验 设计通过利用正交表来安排与分析多因素试验，即 在全部水平组合中挑选部分具有代表性的水平组合 进行试验。通过分析部分试验结果以掌握全部试验 的情况，最终确定最合理的水平组合 ［12 ］。 采用 3 水平、4 因素的正交试验，配比因素确 定为粉煤灰掺量、充填材料的质量分数、砂石掺量 和早强剂用量，根据基础配比各调整出 3 个水平进 行试验方案的设计 ［13 ］。调整后的各因素和水平见 表 2。充填体每个养护龄期要做 9 次试验。 表 2因素与水平 因素 粉煤灰 掺量/ 质量 分数/ 砂石 掺量/ 早强剂 用量/ 记 号ABCD 上水平 12780 131. 2 基准水平 23781 151. 4 下水平 34782 171. 6 2. 2试件制作及实验设备 充填体试件制作成 100mm50mm 的标准试件， 如图 1 所示。养护不同的龄期后对试件进行分类， 每个龄期 3 个试件。 图 1各龄期试件 充填体试件的单轴压缩实验在 MTS815. 03 电 液伺服岩石实验系统上进行，获取不同龄期充填体 的强度指标。MTS815. 03 电液伺服岩石实验系统是 当前国内性能最先进、配置最优、在国际上认可度 最高的岩石力学实验设备。 2. 3实验结果分析及配比选择 实验结束后，各个龄期充填体的单轴抗压强度 与坍落度结果见表 3。 表 3实验结果 设计矩阵 记录号 ABCD 单轴抗压强度/MPa 1d4d7d14d 坍落 度/mm 111112. 7006. 93310. 389 11. 784220 212221. 8815. 3375. 7629. 303230 313331. 8946. 1309. 191 11. 542125 421231. 9904. 7988. 1588. 953250 522311. 7374. 3558. 296 11. 643220 623121. 5544. 9297. 1049. 74490 731321. 6354. 2407. 2058. 968220 832132. 0464. 2176. 3269. 879220 933211. 4295. 3348. 461 10. 538190 在计算机上对表 3 中的数据进行极差分析计 48 总第 127 期煤矿开采2015 年第 6 期 ChaoXing 算，得出结果见表 4。 由实验结果可以得到以下主要结论 表 4极差计算结果 坍落度/mm ABCD 试件 1d 抗压强度/MPa ABCD 试件 4d 抗压强度/MPa ABCD 水平 K1191. 67230. 00176. 67210. 002. 1582. 1082. 1001. 9556. 1335. 3245. 3605. 534 K2186. 67223. 33223. 33180. 001. 7601. 8881. 7671. 6904. 6874. 6305. 1564. 835 K3210. 00135. 00188. 33198. 331. 7031. 6261. 7551. 9774. 5975. 4644. 9025. 048 极差R23. 3395. 0046. 6630. 000. 4550. 4820. 3450. 2871. 5360. 8340. 4580. 699 试件 7d 抗压强度/MPa ABCD 试件 14d 抗压强度/MPa ABCD 水平 K18. 4478. 5847. 9409. 04910. 8769. 90210. 46911. 322 K27. 8536. 7957. 4606. 69010. 11310. 2759. 5989. 338 K37. 3318. 2528. 2317. 8929. 79510. 60810. 71810. 125 极差R1. 1161. 7890. 7712. 3591. 0810. 7061. 1201. 984 1质量浓度因素 B 为影响矸石胶结充填体 坍落度的主要因素，从坍落度角度上选择充填体材 料的最优配比为 A3B1 B2C2D1。 2以充填体的单轴抗压极限强度分析，粉 煤灰的掺量是影响 7d 龄期内充填体抗压强度的主 要因素。早强剂主要影响充填体早期的抗压强度 一般在 7d 以内 ，而充填体后期强度的变化主要 受惰性材料含量的影响。 3根据沿空留巷对充填体的力学性能要求， 主要考察其早期强度 1d 、后期强度 14d来 选择较优的材料配比，将充填体试件的抗压强度条 件与坍落度条件统一考虑，最终确定优选结果为 A1B1C1D1方案。 4将水泥和矸石骨料的比例按 1 ∶ 8 作为基 础配比，所选方案的充填料浆配比最终确定为水泥 ∶ 粉煤灰 ∶ 砂石 ∶ 矸石骨料 ∶ 水 3. 7 ∶ 1 ∶ 3. 8 ∶ 29. 6 ∶ 9. 5，早强剂的含量 占 到 总 体 质 量 的 1. 2。 3矸石胶结充填体力学承载性能实验研究 3. 1单轴压缩实验结果分析 根据选择的最优材料配比制作标准充填体试 件，采用 MTS 岩石伺服试验机对不同龄期的矸石 胶结充填体试件进行单轴压缩实验，获得不同龄期 条件下试件全应力－应变曲线，如图 2 所示。 从图 2 中的曲线可以看出，针对不同龄期的试 件，其全应力－应变曲线形状基本一致，并具有相 同的变形规律。充填体试件在压缩变形过程中经历 了内部空隙压实、弹性变形、塑性变形、应力软化 和残余变形 5 个阶段。根据试验曲线显示该配比充 填体 4d 强度能达到 6. 9MPa，14d 强度能达到 11. 8MPa，且 1d，4d，7d 和 14d 龄期的充填体试 图 2各不同龄期试件单轴压缩全应力应变曲线 件的残余强度分别占到单轴抗压强度的 46， 32，28以及 26。经分析可知，当峰值强度增 大时，相对残余强度反而会减小。充填体极限强度 所对应的应变量约为 8. 610 －3 ，说明该配比下胶 结充填体的可缩性是良好的。 3. 2三轴压缩实验结果分析 分别研究矸石胶结充填体试件在三轴压缩条件 下 1d，4d 以及 14d 龄期各强度和力学特性，各龄 期选取 2 个试件，每个试件所施加的围压分别为 1MPa 和 2MPa，试验结果见表 5。 表 5试件三轴压缩极限强度 龄期/d围压/MPa 破坏主应力 差/kN 三轴强度 极限/MPa 残余 强度/MPa 1 4 14 19. 116. 006. 00 211. 128. 108. 10 124. 4414. 1112. 87 227. 4416. 6216. 43 137. 7221. 2617. 77 244. 9126. 1125. 50 58 樊海艳等 矸石胶结充填体力学性能实验研究2015 年第 6 期 ChaoXing 根据三轴压缩实验数据结果，利用数学线性回 归分析方法得到回归方程，并且得到最优配比的充 填体试件在不同龄期的剪切强度参数，见表 6。实 验得到的不同围压时三轴压缩应力－应变曲线如图 3、图 4 所示。 表 6强度参数 龄期/d σ1－σ3线性 回归方程 相关系数 ρ 黏聚力 C/MPa 内摩擦角 φ/ 1σ1－σ32. 91. 7σ30. 97990. 882427. 3522 4 σ1－σ3 7. 71083. 8435σ30. 94371. 7518 41. 1277 14 σ1－σ3 12. 5556. 163σ30. 97732. 3455 49. 0247 图 3 1MPa 围压时不同龄期试件全应力－应变曲线 图 4 2MPa 围压时不同龄期试件全应力－应变曲线 分析矸石胶结充填体试件三轴压缩实验数据及 不同龄期全应力－应变曲线可以说明 1当所施加围压一致时，矸石胶结充填体 试件的三轴极限抗压强度随养护龄期的延长基本呈 线性增长的趋势。 2随着围压的增大，矸石胶结充填体试件 的三轴极限抗压强度也逐渐增大，且与内摩擦角 φ 和黏聚力 C 呈正比关系。充填体试件在 14d 龄期 时的 内 摩 擦 角 已 达 到 49，黏 聚 力 值 已 达 到 2. 34MPa，抗剪能力较单轴压缩时明显增强。 3试件在三轴压缩变形过程中基本可分为 弹性变形和塑性变形两个阶段。弹性阶段内曲线近 似呈直线型分布，变形特点与单轴压缩时的情形近 似; 塑性阶段内充填体表现为应力基本保持不变、 应变持续增加的现象，说明充填体达到了极限强度 后出现了塑流状态，且与岩石试件单轴压缩变形特 征区别较大。 4在 1d 龄期时，充填体具有一定的塑性强 化特征，而在 4d，14d 龄期的曲线中并没有体现出 该特性。 5矸石胶结充填体试件三轴压缩破坏后其 残余强度值仍处于较高水平，该值与三轴极限强度 值并无较大区别，说明当围压较高时，即使试件处 于破裂后阶段，仍具有较高的承载性能。 4结论 1实验室研究表明，适合于现场工程条件 的最优材料配比为 水泥 ∶ 粉煤灰 ∶ 砂石 ∶ 矸石骨 料 ∶ 水3. 7 ∶ 1 ∶ 3. 8 ∶ 29. 6 ∶ 9. 5，早强剂用量为 整体质量的 1. 2。该配比充填体 4d 强度能达到 6. 9MPa，14d 强度能达到 11. 8MPa，平均弹性模 量在 14d 龄期为 1900. 9MPa，可缩性较强，能够满 足现场生产的工程要求。 2实验结果显示，水泥和粉煤灰用量是充 填体材料早强强度的最主要影响因素，矸石骨料的 相对含量主要影响充填体的后期强度，早强剂对材 料的早期强度有一定影响。 3单轴压缩状态下全应力－应变过程中的矸 石胶结充填体试件的应力软化过程较为明显。当超 过极限抗压强度时，试件并不会完全丧失承载能 力，而存在有一定的残余强度。 4三轴压缩实验表明，当龄期和围压增加 时，矸石胶结充填体试件的三轴极限抗压强度也随 之增加; 较早龄期的充填体试件具有一定的塑性变 形特征，而中晚龄期的试件并无该特点; 在较高围 压作用下，矸石胶结充填体在破裂后阶段内仍存在 很高的残余强度，表明充填体试件承载性能良好。 ［ 参考文献］ ［ 1］ 孙恒虎，赵炳利 . 沿空留巷的理论与实践 ［ M］ . 北京煤炭 工业出版社，1993. ［ 2］ 谢文兵，殷少举，史振凡 . 综放沿空留巷几个关键问题的研 究 ［ J］ . 煤炭学报，2004，29 2 146－149. ［ 3］ 孙恒虎，黄玉诚，毕华照 . 综采大断面巷道泵送高水速凝材 料护巷技术 ［ J］ . 煤炭学报，1994，19 1 49－57. ［ 4］ 周保精，徐金海，倪海敏 . 小宽高比充填体沿空留巷稳定性 研究 ［ J］ . 煤炭学报，2010，35 S 33－37. ［ 5］ 柏建彪，周华强，侯朝炯，等 . 沿空留巷巷旁支护技术的发 展 ［ J］ . 中国矿业大学学报，2004，33 2 183－186. ［ 6］ 郭忠平，黄万朋 . 矸石倾向条带充填体参数优化及其稳定性 分析 ［ J］ . 煤炭学报，2011，36 2 234－238. ［ 7］ 李建杰，丁全录，佘海龙 . 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