矸石充填材料压缩仿真实验研究.pdf

第 3 4卷第 8期 2 0 0 9年8月 煤 炭 学 报 J O URN AL O F C HI N A C OAL S OC I E T Y Vo 1 ． 3 4 No ． 8 Au g ． 2 0 0 9 文章编号 0 2 5 3 9 9 9 3 2 0 0 9 O 8 1 0 7 6 0 5 矸石充填材料压缩仿真实验研究 胡 炳南 ， 郭 爱国 1 ．北京科技大学 土木与环境工程学院 ，北京1 0 0 0 8 3； 2 ．煤炭科 学研究 总院 开采设 计研究分 院，北京1 0 0 0 1 3 摘要 采用大容器、大粒径、大载荷和仿真煤体条件 ，进行 了2 3个方案模拟矸石压缩 实验． 总结了压缩过程 中应力应变关系曲线和轴压侧压关系曲线的形态及其特征 ；得 出了压缩率与粒径 尺寸成正变、与侧压成反变的规律 ；分析 了压缩率、侧压与煤体强度、矸石粒径及其级配之间的 相互关系，揭示了充填材料级配优化提高充填效果的机理． 关键词矸石充填；压缩仿真；级配优化 中图分类号T U 4 5 2 文献标识码A Te s t i n g s t ud y o n c o a l wa s t e ba c k fil l i n g ma t e r i a l c o mpr e s s i o n s i m u l a t i o n HU Bi n g ． n a n r． GUO Ai g u o 1 ． C i v i f E n v i r o n me n t E n g i n e e r i n g S c h o o f ，U n iv e r s i t y o y S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y B e ij i n g ，B e ij i n g 1 0 0 0 8 3 ， i n a ；2 ．C o a Mi n i n g a n d D e s ig n i n g B r a n c h ， C h i n a C o a l R e s e a r c h I n s t i t u t e ，B e ij i n g 1 0 0 0 1 3 ，C h i n a Ab s t r a c t Un d e r t h e c o n d i t i o n o f l a r g e c o n t a i n e r ，l a r g e d i a me t e r o f ma t e r i a l ，l a r g e l o a d a n d s i mu l a t i o n c o a l ，2 3 p l a ns we r e d o n e t o s i mu l a t e t h e c o a l wa s t e c o mp r e s s i o n e x pe r i me n t ．T hr o ug h t he e x p e r i me n t ，s u mma r i z e d t h e no r p h o l o g y a nd c h a r a c t e r i s t i c s o f t he s t r e s s s t r a i n c ur v e a n d t he a x i a l l a t e r a l s t r e s s c u r v e；g o t t h e l a w t h a t t h e c o mp r e s - s i o n r a t i o h a s di r e c t r a t i o r e l a t i o n s wi t h c o a l wa s t e d i a me t e r a n d i n v e r s e r a t i o r e l a t i o n s wi t h l a t e r a l s t r e s s；a n a l y z e d t h e r e l a t i o n s h i p a mo n g t h e c o mp r e s s i o n r a t i o，l a t e r a l s t r e s s ，t h e c o a l s t r e n g t h，di a me t e r a n d g r a d i n g o f c o a l wa s t e， a nd r e v e a l e d t he me c h a n i s m t h a t fil l i n g ma t e r i a l g r a di n g o p t i mi z a t i o n i mp r o v e t he e f f e c t o f b a c k fil l i n g ． Ke y wo r d s c o a l wa s t e b a c k fil l i n g；c o mp r e s s i o n s i mu l a t i o n；g r a d i n g o p t i mi z a t i o n 充填开采能较好地解决建筑物 、水体和铁路下采煤 问题 ，是将来绿 色开采⋯发展方向之一．受矿井 生产成本和生产条件的制约，要求矿井充填材料具有来源广泛 、成本合理、适应性强等特点．而矸石散体 充填恰恰具有工艺简单 、充填材料丰富等优点 ，且矸石不出井直接井下充填开采更具有保护环境 、节能减 排等优势．以往学术界对散体沉降特性的研究通常是采用刚性材料作为实验的容器 ，这种刚性容器在受到 侧 向压力时变形极小 ，可以近似的认为没有变形量 ，但在现实条件下 ，充填物的周 围具有一定弹性的煤柱 或围岩 ，它在受到侧向压力时会产生一定 的变形 ；同时以往的研究采用的实验容器和散体粒径都较小 ，与 现场实际差别较大．本实验在对容器 口径 、施加载荷 、颗粒直径 和仿真 内衬等几个方面进行较大改进 ， 使实验尽量接近现场实际情况的基础上 ，对矸石散体颗粒级配及其抗压缩性能进行了较为深入的研究． 1 实验方案设计 1 ． 1 方案设计 理论 基础 当煤层进行大面积回采并滞后一段时期稳定后 ，矿 山压力重新分布又回到近似原岩应力状态 就本 实验所模拟的邢台矿区某矿井 8 8 3 m采深来说，上覆岩层自重应力为 1 9 ． 9 0 M P a ．散体矸石充填采空区， 收稿 日期 2 0 0 8 0 9 0 4 责任编辑柴海涛 基金项 目科研 院所社会公益研究专项基金资助项 目 2 0 0 4 D I B 3 J 0 8 8 作者简介胡炳南 1 9 6 0 一 ，男 ，浙江永康人 ，研究员．T e l 0 1 08 4 2 6 3 1 3 2 ，Em a i l b i n g n a n h u s 0 h u ． c o n 第 8 期 胡炳南等矸石充填材料压缩仿真实验研究 长远来看，其受到的最终载荷即近似为上覆岩层的自重应力，矸石散体充填材料的长期支撑效果取决于其 在此压力条件下 的抗压缩性能．实验全部在能实现大载荷 加载的 I N S T R O N 1 3 4 6型全数字伺 服控制刚性试 验机上进行 ，试验机最大载荷 2 0 0 t ，以实验采用 内径 3 2 0 mlT I 的容器计算 ，最大可以模拟 2 4 ． 8 8 M P a的 自 重应力 ，设备满足实验要求．充填开采的减沉效果与充填材料 的抗压缩性能密切相关 ，所以矸石实验材料 的压缩率是实验集中关注的参数之一 ；另外 ，在煤矿开采 中，会有很多临时或永久性的煤柱留设 ，在充填 开采时，这些煤柱和将充填体组成联合体支撑上覆岩层 ，所留设煤柱的支撑能力与煤柱的核区尺寸及其受 力状态有关 与受低侧压或者不受侧压的煤柱相 比，受高侧压煤柱 的支撑能力要强很多．基于以上 2点考 虑 ，在本实验中，选取矸石充填材料的压缩率及其在压缩过程的侧压力 2个参数进行深入探讨．压缩率通 过压缩量和装样高度的比值进行计算；在侧压的测量中，首先沿圆筒外壁环向、上下 1 ／ 3 处、相对两侧各 贴 2片应变计；加载时，通过 D H 3 8 1 7静动态应变仪进行四通道实时同步准确测量；测得的应变数据取平 均值 ，再利用弹性理论中的圆筒理论 ，计算出侧压． 1 ． 2 仿真 内衬试制 首先制造一套 内径 4 0 5 m m、高度 3 0 0 mm、壁厚 1 0 m m的无缝钢管作为盛放矸石的基本容器．为更好 地模拟矸石充填在不 同强度煤层 中的作用效果 ，专门进行仿真 内衬试制．模拟坚硬煤体时 ，采用钢筋混凝 土内衬 ；模拟中硬和松软煤体时，采用不 同配 比的环氧 树脂内衬 ；模拟特硬煤体时，直接采用 内径 3 2 0 1 T I m的 无缝钢管 ；所有 的内衬材料采用相同的尺寸 ，均为外径 4 0 0 m m，内径 3 2 0 m m，壁厚 4 0 m m，高度为 3 0 0 m m． 仿真内衬强度与煤体弹性模量相一致．表 1 列 出了 典型的坚硬、中硬和松软煤体的实际弹性模量 ，同时也 列出了按不同配比浇注成型的混凝土和环氧树脂 的仿真 材料弹性模量．由表 1 可 以看出，二者力学性质非常接 近 ，仿真材料能较好地模拟相应 的煤体条件． 1 ． 3 级配方案设计 表 1 不同类型煤体和仿真材料的弹性模量 Ta hi e 1 The e l as t i c ro o dul U S o f t l l e di ffe r e nt k i nd o f c oa l a nd s i mul a t i on ma t e r i a l 实验矸石取 自矸石 山，主要 由岩巷掘进和煤炭洗选产生 ，非单一岩性．将其按颗粒直径分为 5 0～ 4 0 ， 4 O一3 0，3 0 ～2 0，2 0 1 0， 1 0 0 mm 表 2 矸石材料级配 配比方案 五个级别 ，级配方案设计见表 2 ．模拟 特硬煤体共 1 4种方案 方案 1～ 5为单 一 级配；方案6 为含 5 个级别的泰波理 论级配 ；方案 7为对方案 6中的含量取 整后接近泰波理论的级配；方案 l 3为 只含中细颗粒级别 的泰波理论级配；方 案 8～1 2和方案 1 4为 随机对 比级配． 并选取了上述有代表性的方案 6 、方案 l 0和方案 1 1 ，分别 进行坚硬 、中硬和 松软煤体专门仿真模拟实验． 2 实验曲线形态分析 实验进行 的 2 3组方 案的侧压 曲线 和压实曲线具有相似的形态 ，如图 1 所 示 ，现总结如下． 侧压 曲线可分为 3个 阶段 ① 侧 Ta bl e 2 PI ans of C O a l was t e m a t e r i a l bl e nd ％ 注表中的 T Y Z R 表示该方案除了进行特坚硬 T 煤体条件实验外 还进行了坚硬 Y 、中硬 z 和松软 R 煤体条件的实验． 煤 炭 学 报 2 0 0 9 年第3 4 卷 图 1 侧压与压实 曲线 Fi g ．1 The l a t e r a l s t r e s s a n d c o mp a c t i o n c u r v e s 压基本为零 ，这对应于初始加压 时，矸石间隙的整理过程 ，时问很短 ；② 侧压随轴压不规律波动上升， 这是由于大颗粒矸石在压力作 用下压碎 ，造成对容器侧压震荡 ，但在总的趋势上 ，侧压随着轴压的增加而 增加；③ 侧压随轴压的线性增加，此时，矸石间隙基本被充填完，散体已被压密、压实，松散体特性消 失． 应力与应变呈指数函数关系也可分为 3 个 阶段 ① 近似线性阶段 ，它以散体 间隙压实为主；② 斜率 快增阶段 ，随着轴向应变的增加 ，应力增加梯度加快 ，它对应于从散体间隙压实到矸石块体压碎压实的过 程 ；③ 稳定线性阶段 ，这一阶段表现为散体完全被压实 ，应力随应变增加稳定且很快 ，此时 ，呈现出完 整的弹性体特性． 3 模拟特硬煤体条件实验结果分析 特硬煤体条件 l 4个方案实验数据见表 3 ， 以下对单级别 、混合级别及其级配优化分别进 行分析． 3 ． 1 单级别方案结果分析 方案 1 5为单级别方案．从方案 1～5 ， 矸石粒径逐渐减小．装样 高度均为 2 7 5 mm， 轴向峰值应力均为 1 9 ． 9 0 4 M P a ；最大侧压分 别为 5 ． 5 3 ，7 ． 0 8 ，7 ． 1 7 ，7 ． 9 2和 l 4 ． 6 0 MP a ； 最 大 压 缩 率 分 别 为 3 8 ． 3 4 ％ ，3 7 ． 4 5 ％ ， 3 5 ． 2 3 ％，3 5 ． 2 1 ％和 2 7 ． 4 1 ％．由实验结果可 以看出 ，最大压缩率与颗粒粒径大小成正变关 系，其压缩率随矸石粒径的减小而减小 ；最大 压缩率与最大侧压成反变关系，其压缩率随最 大侧压增加而减小． 由方案 1 5的压实 曲线和侧压 曲线 图 2 可 以看 出，轴 向应力 随轴 向应 变单 调递 表 3 模 拟特硬 煤体 条件实验 结果 Tab l e 3 The s i mu l at i o n r e s ul t s of s pe c i a l ha r d c o al 增 ，侧向压力也随轴 向压力的增加而增加．但在小轴压条件下 ，压实曲线和侧压曲线中均有波动 ，侧压波 动较大．这是 由于矸石经历了部分大颗粒压碎一错位重排列一稳定压实的过程 ，使筒壁受压不均匀 ，从而 形成侧压波动。如颗粒大的方案1 侧压曲线波动最大，方案2的锯齿状则明显减少，方案4和方案5的轴 压侧压问的线性关系明显． 同时，压实曲线和侧压曲线中的交叉现象，使得 5 个方案在不同阶段的压缩率和侧压值排序不一致， 第 8期 胡炳南等矸石充填材料压缩仿真实验研究 2 5 商 2 0 莹 ＼1 5 1 0 足 暴5 0 O．1 0 ． 2 0 ． 3 0．4 轴向应变 图 2 方案 1 ～5压实与侧压 曲线 F i g ． 2 T h e c o mp a c t i o n a n d l a t e r a l s t r e s s c u i v e s o f p l a n 1 t o p l a n 5 中间过程的压缩率和侧压值排序与最终排序有所区别，所以，为了研究矸石的长期支撑效果，实现井下充 填体的长期稳定，有必要采用与现场实际相近的轴向压力，以克服小压力条件带来的失真． 3 ． 2 混合级别方案结果分析 在 9个 昆 合级别方案 中，按压缩量大小可分为 7 O ，8 0和 9 0 mm三个数量级别 ，压缩量在 7 0 m m 压 缩率 2 5 ． 4 5 ％的有方案 6 ，7和 l 3 ．对比 3个方案可以发现 ，它们均是按照泰波理论配制的方案．其中， 严格按泰波理论配制 的方案 6压缩率为 2 8 ． 3 6 ％ ；方案 6取整后成为方案 7 ，其压缩率为 2 8 ． 4 4 ％ ；仅中细 颗粒按泰波理论配制的方案 1 3 ，其压缩率为 2 7 ． 4 2 ％．分析可知，优化的方案 1 3与普通的方案 l 2的压缩 率相比，同样条件下压缩率可减小 6 ． 4 5 ％ ，有效地提高了减沉效果． 3 ． 3 级配优化对矸石压缩率影响分析 图 3为粗颗粒方案 1 、中颗粒方案 3和泰波理论方案 1 3的侧压曲线．从波动性可以看出 ，方案 l曲线 波动较大；方案 3曲线波动变小；方案 1 3曲线波动消失．说明级配好的方案，其侧压值能较平稳地增加， 有利于减小动载荷或局部受力不均对充填环境 煤体力学性能的影响 ，改善其支撑效果． 图 3 不 同级 配方 案侧压 曲线 F i g ． 3 T h e l a t e r a l s t r e s s c u r v e s o f t h e d i f f e r e n t p l a n s 同时，综合以上实验方案可以看出，当侧压小时，压缩率大；当侧压大时，压缩率小．而压缩量在 7 0 m m 压缩率2 5 ． 4 5 ％量级的3个方案侧压值也较大，分别为8 ． 7 2 ， 7 ． 9 7和 1 2 ． 1 7 M P a ．级配好的充 填材料具有较大密实度 ，侧压曲线波动小 ，侧压力值大 ，有利于提高充填体和围岩 的稳定性． 4 仿真模拟 4类煤体实验结果对比分析 对方案6 ，1 0 ，1 1 按特硬、坚硬、中硬和松软4种煤体条件分别进行仿真模拟．由图4 a 中方案6 的压实曲线可以看出，随着煤体弹性模量的增加 ，压实 曲线梯度均增加 ，在相同轴向压力前提下 ，压实行 程逐渐缩短 ，也就是压缩变形量减少． 从图4 b 中方案6的侧压曲线和表4的侧压最大值可以得出，无论是哪种煤体条件，随着煤体 弹性 煤 炭 学 报 2 0 0 9 年第3 4 卷 O 1 O - 2 轴 向应变 a 6 5 四 山 茎 4 ＼ 3 幽 2 鬟 l 1 0 1 5 2 0 2 5 轴 向压力 ／MP a b 图4 方案6压实与侧压曲线 F i g ． 4 T h e c o mp a c t i o n a n d l a t e r a l s t r e s s C H I V E S o f p l a n 6 模量的增加 ，其侧压值均随之有较大幅度地 增加．当轴 向压力达 1 9 ． 9 MP a以后 ，3个 方案的侧压值 由大到小排列顺序 均是特硬 T、坚硬 Y、中硬 z、软弱 R ．以方案 6为 例，具 体 分 别 为8 ． 7 2 ，4 ． 1 1 ，3 ． o 0 ， 2 ． 7 0 MP a ． 表4 列出了4种煤体条件压缩值实验结 果．3 个级配方案的压缩率均随着煤体弹性 模量 的增加而减少 ，如方案 6，从松软煤体 的 3 3 ． 6 4 ％，减少 到特硬煤体 2 8 ． 3 6 ％，压 表 4 3个级配方案不 同煤体条件侧压值与压缩率 Tab l e 4 The l at e r al s t r e s s and c ompr e s s i o n r a t i o r e s ul t s o f t h r e e p l a n s i n t h e d i ffe r e n t k i n d s o f c o a l 缩率减小5 ． 2 8 ％．可以看出在不同煤体条件下，3 个方案压缩率排序不发生变化，煤体强度条件只对绝 对压缩率产生影响． 5 结 论 1 实验采用大容器和大粒径 ，减小了尺寸效应 ；大载荷 ，延长了散体压缩 曲线 ；仿真模拟煤体条 件，使实验数据更加符合现场工况．通过大量实验 ，总结了侧压曲线和压实曲线的 3个阶段形态 ，并详细 分析了各个阶段的特征． 2 在单一级配中，压缩率与粒径尺寸成正变关系，细颗粒材料充填效果好 ，最大侧压随压缩率增 加而减小．在混合级配中，泰波理论级配方案最优 ，级配好的充填材料密实度大 ，压缩率小 ，侧压大 ，波 动小 ，能提高充填支撑体的力学性能 ，实现较好的充填效果． 3 仿真模拟 4 类煤体条件中，压缩值均随着煤体弹性模量的增加而减少，煤体强度对压实曲线和 侧压曲线均有较大影响，但各级配方案在不同煤体强度的压缩率和侧压值大小排列顺序不变． 参考文献 [ 1 ] 钱鸣高，缪协兴，许家林．资源与环境协调 绿色开采 [ J ] ．煤炭学报 ，2 0 0 7 ，3 2 1 1 7 ． Q i a n Mi n g g a o ， Mi a o X i e x i n g ，X u J i a l i n ． Mi n i n g c o o r d i n a t i n g w i t h r e s o u r s e a n d e n v i r o n m e n t『 J ] ． J o u ma 1 o f C h i n a C o a I S o ． c i e t y ， 2 0 0 7 ，3 2 1 1 7 ． [ 2 ] 张振南 ，茅献彪，葛修润．松散岩块侧限压缩模量 的试验研究 [ J ] ．岩石力学与工程学报 ，2 0 0 4 ，2 3 1 8 3 0 493 05 4． Z h a n g Z h e n n a n， Ma o Xi a n b i a o ， Ge X i u r u n ．T e s t i n g s t u d y o n c o mp r e s s i v e mo d u l u s o f l o o s e r o c k b l o c k s u n d e r c 0 n f i n i n g c o n - s t r a i n t l J ] ．C h i n e s e J o u r n a l o f R o c k Me c h a n i c s and E n g i n e e r i n g ， 2 0 0 4，2 3 1 8 3 0 4 9 3 0 5 4 ． 加 m O B d 苫 ＼ 匠暴