煤矿似膏体充填体的性能研究.pdf

第 1 7 卷第 4期 2 0 0 8年 4月中国矿业 CHI NA M I NI NG M AGAZI NE Vo 1 ．1 7。No． 4 Apr i 1 2 0 08 煤矿似膏体充填体的性能研究孙文标，刘马群，张景飞，张建立。 1 ．河南工程学院安全工程系，河南郑州 4 5 1 1 9 1 ；2 ．郑州大学工程力学系，河南郑州 4 5 0 0 0 1 ；3 ．郑煤集团裴沟煤矿，河南新密 4 5 2 3 8 2 摘要通过实验研究了煤矿似膏体充填体的强度、容许比压、压缩率等物理力学性能。结果表明在凝石含量为 3 ，料浆浓度为 7 8 以上时，充填体固化 1 2 h达到的强度可满足自立要求；在凝石含量为 3 ，料浆浓度为 8 O 时，固化 2 8 d的充填体，即达到避免支柱钻底的容许比压；充填体的压缩率远小于砂子、粉煤灰和矸石粉等的压缩率。关键词似膏体充填体；强度；容许比压；压缩率中图分类号 T D 8 2 3 ． 7 1 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 4 4 0 5 1 2 0 0 8 0 4 0 0 9 2 0 3 Re s a e r c h o n p h y s i c s a n d me c ha ni c s p e r f o r m a n c e o f p a s t e - l i k e b a c kf i l l ma t e r i a l i n c o a l m i n e S UN We n b i a o ，LI U Ma q u n 。Z HANG J i n g f e i 。ZHANG J i a n l i 。 1 ． De p a r t me n t o f S a f e t y E n g i n e e r i n g ，H e n a n I n s t i t u t e o f Te c h n o l o g y，Z h e n g z h o u 4 5 1 1 9 1 ， Ch i n a ； 2 ． De pa r t me n t of En gi ne e r i ng Mec h a ni c s， Zh e ngz hou Uni v er s i t y， Zh e ng z ho u 4 50 00 1，Chi na； 3 ．Pe i g ou Coa l M i ne， Zhe n gz h ou Co al M i ni ng Gr oup，Xi nmi 45 23 8 2， Chi na Ab s t r a c t P h y s i c s a n d me c h a n i c s p e r f o r ma n c e o f p a s t e - l i k e b a c k f i l l ma t e r i a l i n c o a l mi n e s u c h a s s t r e ng t h，a l l o wa b l e s pe c i f i c p r e s s ur e a n d c ompr e s s i v e r a t e wa s r e s e a r c he d b y ex pe r i me nt ． The r e s u l t s s ho w t h a t a f t e r c u r i n g f o r 1 2 h o u r s t h e b a c k f i l l m a t e r i a l c a n a c h i e v e s u f f i c i e n t s t r e n g t h t O k e e p s t a b l e wi t h t h e c o n t e n t 3 o f s i a l i t e a n d t h e s l u r r y d e n s i t y a b o v e 7 8 ；Af t e r c u r i n g f o r 2 8 d a y s t h e b a c k f i l l ma t e r i a l c a n a c h i e v e s u f f i c i e nt a l l o wa bl e s p e c i f i c p r e s s ur e t O a v oi d i n s e r t i o n of pr o p i nt o f l oo r wi t h t he c o nt e nt 3 of s i a l i t e a n d t h e s l u r r y d e n s i t y 8 0 ；Pa s t e l i k e b a c k f i l l ma t e r i a l h a s f a r s ma l l e r c o mp r e s s i v e r a t e t h a n s a n d，f l y a s h ga n gue p owe d a nd S O o n． Ke y wo r d spa s t e - l i k e ba c k f i l l ma t e r i a l ； s t r e n gt h； a l l o wa bl e s pe cif i c pr e s s u r e；c o mpr e s s i ve r a t e 采空区充填开采技术是煤矿绿色开采技术的重要组成部分[ 1 ] ，不仅能够解决煤炭开采造成的地表沉陷、耕地减少、地下水资源遭破坏等环境问题，而且能够解决 “ 三下” 建筑物下、铁路下和水体下压煤问题。孙恒虎教授提出的似膏体充填技术，料浆流动性好，充填体强度高，因而有着广阔的应用前景。文献 I- 3 - ]和 [ 4 ]就以河沙和粉煤灰为充填骨料的料浆的流变特性和充填体的强度进行了实验研究。我国幅员辽阔，不同矿区可供充填利用的原材料和开采条件不同。似膏体充填体的强度、容许比压、压缩率等物理力学性能，对推广似收稿日期。2 O O 7 一l 2 2 9 作者简介孙文标 1 9 7 1 一，男，河南巩义人，博士，讲师。膏体充填开采具有重要意义。内蒙古赤峰某矿煤层累计厚度在 2 0 m 左右，煤层上部有 2 0 m 以上的强含水层，该层与地表的老哈河有极畅通的水力联系，含水层下部地层中无完整连续隔水层。为了提高矿井资源回收率，延长矿井服务年限，决定采用全部充填法进行开采。该矿使用倾斜分层倾向长壁仰斜开采的采煤方法，每分层采高 2 m，分层之间采用上行式。工作面按对拉工作面布置，两个工作面交替开采，轮流充填互不影响。工作面支护采用单体液压支柱配合金属铰接顶梁或 n型钢梁支护。本文结合该矿的具体条件，对似膏体充填体的物理力学性能进行了实验研究。 1原材料与实验方法 1 ． 1原材料维普资讯第 4期孙文标等煤矿似膏体充填体的性能研究 9 3 可供充填利用的原材料主要为老哈河河沙和黄土。其中河沙在充填材料中用作粗骨料，黄土用作细骨料。老哈河河沙真密度 2 ． 4 g ／ c m。，孔隙率 3 8 。主要化学成分为 S i O 。粒度分布见表 1 。黄土的真密度 2 ． 7 g ／ c m。，化学成分以 S i O 和 Al z o 。为主。黄土粒度较细，最大粒径不超过 7 7 ． 1 m。胶凝材料选用清华大学孙恒虎教授发明的凝石。河沙和黄土中均含有不定量的水，在实验室确定料浆配比时，为避免不同含水量对实验结果的影响，实验所用的物料全部烘干。表 1 老哈河沙的粒度分布 1 ． 2实验方法似膏体充填体强度的测定，按照标准方法成型试件，试件规格为 7 0 ． 7 mm7 0 ． 7 mm7 0 ． 7 mm，试件成型后，在标准条件下养护 1 2 h后拆模，并在规定条件下养护至龄期。分别测定 1 2 h 、l d 、3 d 、 7 d及 2 8 d的单轴抗压强度。测定充填体容许比压的的试件规格为 1 5 0 mm1 5 0 mm 1 5 0 mm 的立方体，压模为直径 1 0 mm、高 5 0 mm 的钢圆柱。试验时，压模垂直放置于试件上，用压力机对压模加载并自动绘制载荷和位移的关系曲线。测定充填体压缩率的试件规格为高 1 0 0 mm、直径 5 0 mm 的圆柱体。试验时将试件放入壁厚 1 0 mm、高 1 3 0 mm、内径 5 0 mm 的圆筒中，在圆筒内试件上方放一高 6 0 mm、直径 5 0 mm 的钢柱，在普通压力试验机上对钢柱加载，记录载荷及相应的压缩量。压缩率用下式计算 S P 一 H。一 H1 ／ H。式中，S 一压缩率； H。一压缩前充填体试件的高度； H 一在轴向压力 P下填体试件的高度。 2 实验结果 2 ． 1 充填体各龄期强度以河沙和黄土分别作粗细骨料的充填材料体系，在黄土含量为 1 2 的条件下，充填体各龄期强度如表 2 所示。表 2 充填体各龄期的强度凝石用量／料浆浓度／％抗压强度／ MP a 7 d 2 8 d 0 ． 3 2 0 ． 4 4 0 ． 5 6 1 ． 1 2 由表 2可见，充填体的强度随养护龄期、料浆浓度和凝石用量的增加而增加，在养护龄期为 1 2 h ，凝石用量为 3 的条件下，料浆浓度为 7 8 以上时，充填体的强度即达到 0 ． 1 MP a以上，能够满足拆模自立的要求。 2 ． 2 充填体的容许比压由于该矿为厚煤层分层上行开采，因此下分层的充填体作为上分层开采时的底板。在过去水砂充填工作面，支柱钻底现象比较普遍，影响了工作面的安全生产。为避免这种隐患并为工作面的支护设计提供依据，必须测定充填体的容许比压。实验所用试件的配比为浓度 8 0 ，凝石 3 ，黄土 1 2 ，河沙 6 5 。养护龄期为 2 8 d 。实验结果见图 Z 辖 1 ． 4 1 ． 2 1 ． O O． 8 O． 6 O4 O． 2 O 图 1 充填体的容许压实验曲线由图 1中的最大载荷和压模的底面积，可以求得充填体的容许比压约为 1 6 ． 6 MP a 。在充填采煤的工作面，顶板压力较小。根据抚顺矿务局在特厚维普资讯 9 4 中国矿业第1 7 卷煤层分层开采水砂充填工作面多次顶板压力观测结果，工作面顶板压力平均为 1 0 0 ～ 1 5 0 k P a ，最大到 2 O O ～2 5 0 k P a 。若按照支护密度为每跟支柱支护 0 ． 7 m 的顶板，则每跟支柱承受的力最大为 1 4 0 ～ 1 7 5 k N。我国常用的单体液压支柱有 D Z系列、QD Z系列和 N DZ系列三种类型。DZ系列单体液压支柱的底座面积有 1 2 5 c m 和 1 0 9 c m 两种。 QD Z系列单体液压支柱的底座面积有 2 1 9 c m。、 1 5 4 c m 和 1 1 3 c m 三种。ND Z系列单体液压支柱的底座面积有 1 2 8 ． 6 c m 和 1 0 9 c r o _ 。两种。支柱对底板的压强按支柱的最小底座面积 1 0 9 c m 计算，则支柱对底板的最大压强为 1 2 ． 8 ～ 1 6 ． 1 MP a ，小于充填体的容许比压。可见充填体的容许比压可以满足要求，一般不会出现支柱钻底现象。 2 ． 3 充填体的压缩率强度较低的充填体属于松散体，在上覆岩层的重力作用下必然产生压缩，压缩率的大小与充填采空区减小上覆岩层移动的效果密切相关。试验试件的配比为浓度 8 O ，凝石 3 ，黄土 1 2 ，河沙 6 5 ％，养护龄期为 2 8 d 。试验结果如图 2所示。； i 图 2 充填体的压缩率由图 2可见，充填体的压缩率随着载荷的增长近似线性增加。该矿的采深最大约 2 0 0 m，最大载荷约 5 MP a ，此时充填体的压缩率为 4 左右。本实验结果与文献 [ 5 ] 中所述砂子、矸石粉和粉煤灰的压缩率及文献F 6 3 中所述手选废石和冶炼炉渣的压缩率相比明显较小，这是因为本实验充填体中，黄土颗粒能填充于河沙颗粒的空隙中，使充填体的空隙率较小。 3 结语以河沙、黄土为粗细骨料，凝石为胶凝材料制得的充填体，其强度、容许比压均能满足充填采煤的要求。以河沙、黄土为粗细骨料，凝石为胶凝材料制得的充填体压缩率，明显小于砂子、矸石粉和粉煤灰的压缩率。这对充填材料的选择提供了一定的依据。本论文研究主要在实验室内完成，实验结果和工业应用之间必然存在差异。充填体的性能还需要在充填实践中进一步检验。ll 参考文献 E l i 钱鸣高，许加林，缪协兴．煤矿绿色开采技术 E J 3 ．中国矿业大学学报，2 0 0 3 ，3 2 4 3 4 3 ～3 4 8 ． [ 2 ] 许家林，钱鸣高．绿色开采的理念与技术框架 E J 3 ．科技导报，2 0 0 7 ，2 5 7 6 1 6 5 ． [ 3 ] 赵龙生，孙恒虎，孙文标，等．似膏体料浆流变特性及其影响因素分析 E J 3 ．中国矿业，2 0 0 5 ，1 4 1 0 4 5 4 8 ． [ 4 ] 孙文标，孙恒虎，刘建庄，等．似膏体充填料浆配合比的实验研究 E J 3 ．中国矿业，2 0 0 5 ，1 4 8 7 o 一7 1 ． [ 5 ] 朱卫兵，赖文奇，许家林．粉煤灰与矸石粉压缩特性的实验研究 E J 3．中国煤炭，2 0 0 5 ， 1 1 3 6 3 8 ． [ 6 ] 余斌．粗粒级混合充填料压缩性能的试验研究 E J 3．铜、工程， 2 0 0 0， 4 1 3 ．米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米来米米米米米米米柴米米米米米米米米米米米米米米米米米上接第 9 1 页 [ 3 ] 康亚明，杨明成，胡艳香．极限平衡法和有限单元法混合分析土坡稳定 [ J ] ．中国矿业，2 0 0 6 ，1 5 3 7 4 7 7 ． [ 4 ] 康亚明，杨明成，胡艳香．重度增加法在某公路边坡稳定分析中的应用 [ J ] ．中国地质灾害与防治学报，2 0 0 6 ，1 7 3 1 5 4 1 5 7 ． [ 5 ] 康亚明，杨明成，胡艳香，任克峰．基于重度增加法的边坡稳定性三维有限元分析 E J 3 ．长安大学建筑科学与工程学报，2 0 0 6 ，2 3 4 4 9 5 3 ． [ 6 ] 张鲁渝，郑颖人，赵尚毅，时卫民．有限元强度折减系数法计算土坡稳定安全系数精度研究[ J ] ．水利学报，2 0 0 3 ， 1 2卜2 7 ．维普资讯