矸石胶结充填体力学性能实验研究

樊海艳，郭忠平，黄万朋

(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)



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

[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

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

2.2试件制作及实验设备

充填体试件制作成100mm×50mm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

在计算机上对表3中的数据进行极差分析计算，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

(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(B2)C2D1。

(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。

图2　各不同龄期试件单轴压缩全应力—应变曲线

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8.6×10-3，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

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

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。

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[责任编辑：徐乃忠]

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 compression 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

[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。

[基金项目]山东省自然科学基金资助项目(ZR2012EEM022)

[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2015.06.022

[收稿日期]2015-04-22

[中图分类号]TD315

[文献标识码]A

[文章编号]1006-6225(2015)06-0083-04