采后充填固体充填材料力学特性测试研究

赵昕楠,节茂科,张吉雄

(1.煤炭科学研究总院检测分院,北京 100013;2.冀中能源股份有限公司,河北邢台 054000;3.中国矿业大学,江苏徐州 221116)

采后充填固体充填材料力学特性测试研究

赵昕楠1,节茂科2,张吉雄3

(1.煤炭科学研究总院检测分院,北京 100013;2.冀中能源股份有限公司,河北邢台 054000;3.中国矿业大学,江苏徐州 221116)

采用物理化学测试方法,检测分析了矸石与粉煤灰充填材料矿物成分、压实度、流变等力学特性,研究了不同配比条件下含水量、密度,影响充填材料压实度及流变特性时间相关特性曲线,得出了最佳压实度和密度的矸石与粉煤灰的混合比例及充填料变形主要在加载初期。

采后充填;固体充填材料;力学特性测试

冀中能源股份有限公司邢台矿与中国矿业大学合作,在 2007年 6月 -2009年 9月进行了 “建下”采充一体综合机械化试验,并获得了成功。试验以矸石与粉煤灰混合物作为充填材料,既解决了煤矿建筑物下大量的优质煤炭开采,又解决了矿洗煤厂和电厂每年所产生的大量洗选矸石和粉煤灰的排放处理问题。以前国内外对矸石和粉煤灰的物理特性进行了大量研究,取得了许多研究成果。但对其受压时间相关性方面的研究相对较少,对于煤矸石与粉煤灰等材料混合配比后的压实特性及其流变特性的研究还是空白。这次采后充填试验中,矸石与粉煤灰力学测试研究是非常重要的内容之一。

1 矸石与粉煤灰物理化学特性

1.1 矸石与粉煤灰矿物成分

测试采用的仪器为D/Max-3B型 X射线衍射仪,定性分析标准是利用粉末衍射联合会国际数据中心 (JCPDS-I CDD)提供的各种物质标准粉末衍射资料 (PDF),按照标准分析方法进行对照分析。分析结果表明,洗选矸石主要成分是石英、高岭石,有部分伊利石、伊蒙混层、部分非晶物质煤或其他物质;粉煤灰主要成分是非晶物质,含有略多的石英,还有部分莫来石、伊利石和少量的方解石、CaSO4,长石等矿物。

定量分析按 GB5225-86的 K值法进行,洗选矸石和粉煤灰 X-射线衍射图谱如图 1所示。

图1 X—射线衍射图谱

1.2 致密度简析

通过 SEM电镜扫描,得到不同分辨率条件下的各类图片、矸石概貌粗粒矿物间多镶嵌分布、压实特征明显、结构较为致密、粗大孔洞及裂隙不发育,未见明显层状分布规律。粉煤灰概貌多角颗粒多为亚毫米颗粒,基本未见微珠及漂珠结构颗粒。

1.3 含水量测试

试验采用 JA2003电子精密天平,YZH1-30远红外自控焊条烘箱测试。分别对 6组试样含水量进行测试,在自然状态下洗选矸石的含水量均值为2.28%,粉煤灰的含水量均值为 21.17%。

1.4 化学成分测试

洗选矸石与粉煤灰的矿物组成直接影响充填材料的工程性质。其化学成分及化学元素含量测试结果如表 1、表2所示。

表1 洗选矸石与粉煤灰化学成分

表2 化学元素

2 矸石与粉煤灰的力学特性

2.1 试验内容

(1)试验目的及内容 通过对洗选矸石与粉煤灰不同配比条件下压实特性的测试,分析各种配比条件下各组试样的压实力与变形量的关系,并得出最有利于现场充填的配比条件。同时进行矸石与粉煤灰混合充填材料的时间相关性试验,得出不同压力条件下矸石与粉煤灰混合充填材料时间相关特性变化特征。

(2)试验设备及条件 采用美国MTS公司的MTS815.02电液伺服岩石力学试验系统。矸石与粉煤灰配比混合充填材料设计试验的压应力范围为 0～30MPa,加载速率为 0.1MPa/s。每组测试的时间为 300s,数据每 1.0s采集 1次。每组不同配比的试验做 3次,以防止试验过程中出现无效数据等情况,确保试验数据的真实有效性。

(3)流变特性试验方案设计 分别取矸石粉煤灰配比为 1∶1,1∶0.8,1∶0.6,0.8∶1的方案进行流变特性试验,保持轴向应力 7.5MPa不变,每个配比方案的压实试验时间为 10h。

2.2 矸石与粉煤灰压实特性

压实度 k的定义为充填材料在压实过程中,受外力作用而被压实的程度,用压实后的体积Vys与原松散状态下的总体积Vs之比来表示。

充填材料的压实度 k随着压实力σ的增大而减小,特别在初始阶段,由于材料的松散程度较大,因此,产生的压缩量较大,压实度 k变化较快。由试验结果知,当矸石与粉煤灰配比为 1∶0.31时,二者体积的差值最小,其值为 0.066,见图 2。表明在此配比条件下,压实力从 1.5MPa变化至 7.5MPa时,压实的变形量很小,也即表明此时的充填材料经夯实以后,给予覆岩层的有效变形空间非常小,可以较好地控制采场顶板,以达到限定覆岩层的移动、控制地表变形的目的。

图 2 矸石与粉煤灰配比 1∶0.31条件下压实度随压实力变化曲线

2.3 矸石与粉煤灰的流变特性

选取部分矸石与粉煤灰进行流变特性试验。试验中达到轴向应力的时间控制在 1～2min,应力保持在 7.5MPa,并对所测数据进行回归分析整理,得到流变特性曲线如图 3所示。

图 3 矸石与粉煤灰配比 1∶0.31条件下的时间相关特性

曲线拟合函数为:

由图 3可知:

(1)充填材料的压实变形主要在加载阶段完成,且其周期较短 (一般在 2～3h),其恒定应力作用下的变形一般为总变形量的 6.2%。

(2)在现场配比为 1∶0.31的条件下,总变形量为 21.16%。充填材料一般在 1.5h左右趋于稳定,由时间相关特性函数可知变形量已达到21.06%。

3 现场充填材料基本特性测试

在现场充填过程中,根据充填的具体情况要对充填材料作一定的调整,充填材料性质的改变对最终的充填效果有较大的影响。对现场的充填材料取样进行相关的特性测试试验,测试内容包括充填材料的含水量、压实特性以及流变特性。

3.1 充填材料含水量测试

为了使试验的数据更为精确,更具有代表性,选取机头、工作面中部和机尾位置的充填材料进行含水量的测试。测试分为 3组,每组取样 2份,试验过程中需要对大块的矸石样品进行研磨。对最终得到的数据结果取平均值,最终得到现场充填材料的测试结果平均含水量为 9.18%。

3.2 充填材料压实特性测试与分析

(1)试验方案 压实测试时对现场所取的 9份样品进行试验。应力最终加载至 20MPa,相当于800m埋深自重应力,应力加载速率 0.083MPa/s,加载时间约 4min。数据采集量包括:轴向应力、轴向力、轴向位移、轴向应变和变形模量。

(2)试验数据分析 压实度 k可简化为应变ε的表达式:

根据所测的 9组数据中变形量的平均值,可得到现场充填材料的压实特性曲线,如图 4所示。

图 4 现场充填材料压实度随压实力变化曲线

由图 4可知:

(1)充填材料的压实度 k随着压实力σ的增大而减小,特别在初始阶段,由于材料的松散程度较大,因此,产生的压缩量较大,表现为压实度 k变化较快。

(2)在 0～2.5MPa范围内,压实度降幅最大;随后从 2.5～10MPa阶段中,压实度变化速度放缓;当应力超过 10MPa后,压实趋于稳定,压实度值变化很小,最终停留在 0.87。

3.3 充填材料密度变化测试与分析

充填材料的密度作为一个重要参数,对于整个充填工艺的设计至关重要。对压实过程中充填材料的密度进行测试,分析其值随压实力的变化规律。现场充填材料密度随压实力变化曲线如图 5所示。

图 5 现场充填材料密度随压实力变化曲线

由图 5可知:

(1)现场充填材料密度随着压实力的增大是递增的,前期增幅较大;但随着压实度的逐渐增大,其变化量逐渐减少,表现为后期曲线较为平缓。

(2)在自然松散状态下的密度为 1.42t/m3,加载至 1.5MPa时密度增至 1.50t/m3,最终加载至20MPa时为 1.65t/m3。

3.4 流变特性测试与分析

选取 3份矸石与粉煤灰进行时间相关性试验,即在压实钢筒内使充填物料承载固定的垂直压力,并保持一定时间,观察采集试样的应变量。试验中达到轴向应力的时间控制在 1～2min,应力保持在7.5MPa,得到时间相关性特性曲线如图 6所示。

图 6 现场充填材料的时间相关特性

由图 6可知:

(1)充填材料的变形量主要发生在加载初期,此阶段的变形量为 8.7%;压力稳定后的变形量为2.8%,最终的总变形量为 11.5%。

(2)结合对现场充填材料的密度测试结果进行分析,最终认为在保证充填效果的前提下,充填过程中每采 1t煤至少需要充填 0.83t的矸石与粉煤灰混合充填材料。

4 结论

(1)充填材料的压实度k随着压实力σ的增大而减小,当初超过 10MPa时,其值停留在 0.87。当矸石与粉煤灰配比为 1∶0.31时,二者体积差最小,为 0.066。

(2)充填材料的密度随压实力的增大是递增的。加载至 20MPa,密度为 1.65t/m3。

(3)在保证充填效果的前提下,充填过程中每采 1t煤至少需要充填 0.83t的矸石与粉煤灰混合充填材料。

(4)充填材料的变形量主要发生在加载初期,此阶段的变形量为 8.7%;压力稳定后的变形量为2.8%,最终的总变形量为 11.5%。

[1]王新民,姚 建,张钦礼,等 .煤矸石作为胶结充填骨料性能的实验研究 [J].矿业快报,2006(3).

[2]韩朝军,李延东 .邢台矿粉煤灰充填技术可行性研究 [J].中国矿山工程,2006(4).

[3]河北金牛股份有限公司,等 .邢台矿 “建下”综合机械化充填采煤技术研究报告 [R].2008.

[责任编辑:李宏艳]

M echan ics Properties Test of StowingMaterial for Backfilling Gob

ZHAO Xin-nan1,J IEMao-ke2,ZHANG Ji-xiong3

(1.TestingBranch,China Coal Research Institute,Beijing 100013,China;2.Jizhong Energy Co.,Ltd,Xingtai 054000,China; 3.China University ofMining&Technology,Xuzhou 221116,China)

This paper analyzedmineral composition,compaction degree,rheological behavior ofwaste rock and fly ash by physical and chemical testmethod.It researched influence of water content and density on compaction degree of stowing material and rheological time-correlate curve under different proportioning conditions.It obtained proportion ofwaster rock and fly ash with optimal compaction degree and density and the conclusion that stowingmaterial defor mation wasmainly in loading initial stage.

stowing aftermining;solid stowingmaterial;mechanics property test

TD315

A

1006-6225(2010)05-0018-03

2010-07-29

赵昕楠 (1985-),女,河北邢台人,助理工程师,现从事煤矿井下用液压制品检测方面的研究工作。