不同粒径级配矸石充填材料压缩性能试验研究

张大牛

(中铁十二局集团 第二工程有限公司，山西 太原 030000)



不同粒径级配矸石充填材料压缩性能试验研究

张大牛

(中铁十二局集团 第二工程有限公司，山西 太原 030000)

矸石充填材料的粒径级配对其压缩性能有较大的影响。将粒径100mm以下矸石进行分级，按照中等粒径占比基本相同、大粒径占比逐渐增大、小粒径占比逐渐减小的原则设计了6组不同粒径级配方案，在模拟200m埋深覆岩压力条件下，采用内径405mm钢制大容器装载高度为250mm的矸石充填材料进行了压缩实验。结果表明矸石充填材料压缩过程可分为初步压实、破裂压密和整体稳定压实3个阶段，压缩量随轴向压力增加呈幂指函数关系增长，压缩量增加速率随轴向压力增加而减小，相同压力下压缩量随试样中小粒径占比减小而增加。得出了本实验条件下矸石充填材料压缩量(S)与小粒径占比(p)的关系式：S=111.57-0.70p。

矸石充填材料；粒径级配；压力-压缩量曲线

Experimental Study of Compression Properties of Gangue Filling Material with Different Size Distribution

采煤沉陷是煤炭开发中不容忽视的问题，常规垮落法采煤引起的覆岩破坏和地表移动变形给当地生态环境和工农业建(构)筑物造成了严重损害[1]。长期以来，多种减沉开采技术[2-5]得到实践和发展，一定程度上缓解了采动损害问题，解放了大量“三下”压煤。矸石充填开采即是其中的一种方法。它是随着回采工作面的推进，将破碎后的矸石采用一定方式输送到采空区及时支撑顶板，通过对采出空间的填充达到减小覆层破坏和地表沉降的目的。矸石充填开采具有充填系统简单、工艺灵活、对工作面推进度影响小等优点，近年来在我国多个矿区得到了推广应用[6-8]，取得了较好的经济社会效益。

充入采空区的矸石呈散体状，块度不等、形状不一，块体之间存在着不同程度的空隙，因此矸石充填材料的压缩率是影响矸石充填开采覆岩沉降量和岩层移动控制效果的重要因素，而矸石充填材料的压缩率主要取决于粒径大小和级配关系。在散体物料级配研究方面，目前应用较广泛的是富勒理论和泰波理论[9-10]，两者均为连续级配方案，对降低散体物料压缩率具有重要的指导价值，但工程应用中实现该级配需要的工艺较复杂、成本较高，而按照相对粗略的大、中、小粒径进行级配研究则具有较大的现实意义。本试验在模拟实际覆岩压力大小的条件下，改变矸石试样中大、中、小粒径所占比例，采用大直径装载容器，对几组不同粒径级配的矸石进行压缩性能对比试验，研究结论可为矸石充填工程粒径级配设计提供参考。

1 矸石粒径级配方案

矸石试验样品均取自大同矿业集团某矿矸石山。原矸的尺寸范围较宽，大的超过1m，小的呈粉末状，而粒径100mm以上的占大多数。实际充填作业中，由于工艺和设备对矸石粒径的限制，必须将大块矸石破碎到一定程度方能进行充填。因此本试验只选取粒径100mm以下的矸石，为达到实验目的，采用不同网格孔径的筛子将矸石粒径分为100～75mm，75～50mm，50～25mm，25～13mm和13～0mm 5个级别，如表1所示。按照中等粒径(50～25mm)矸石所占比例基本保持不变(20%～30%)、大粒径(100～50mm)比例逐渐增大、小粒径(25～0mm)比例逐渐减小的原则，设计了6组粒径级配方案，各级别粒径的质量和占比如表2所示。

表1 矸石粒径级别分类

表2 6组试样各级别粒径矸石的质量和所占比例

2 试验装置及试验过程

采用最大加载能力为2000kN的INSTRON 1346型电液伺服控制材料试验系统，加工了内径405mm，壁厚10mm，高度250mm的钢制装载容器，锰钢锻造的加载板直径400mm，厚度25mm。

将筛分好的各粒径级别矸石依照每个方案进行称重、混合，形成6组不同的矸石充填材料，每组净重52.0～55.2kg不等。为模拟矸石在实际覆岩压力作用下的压缩特征，根据该矿煤层200m埋深得出覆岩应力约5.4MPa，由此确定试验机最大加载700kN，加载速率1kN/s。

3 压力-压缩量特征分析

试验得到了各组粒径级配试样压力-压缩量曲线，如图1所示。

图1 各组粒径级配矸石试样压力-压缩量曲线

矸石充填材料试样压缩过程具有以下特征：

(1)6组矸石充填材料试样压力-压缩量曲线形态相似，均符合幂指函数关系。根据压力-压缩量曲线，压缩过程可大致划分为3个阶段：

初步压实阶段 在轴向应力作用下，矸石块体间互相挤压，空隙减小，在较低载荷作用下试样压缩量快速增加，即较小的应力下产生较大的应变。

矸石破裂压密阶段 随着轴向应力的增加，矸石之间的相互作用力和挤压程度越来越高，粒径大的、较坚硬的矸石也不断被压断碎裂，空隙被进一步填充，试样体积收缩明显。在这一过程中可以明显听到矸石破坏的爆裂声，强度由稀疏弱小到密集强烈，随轴向压力继续增加爆裂声又复为稀疏和弱化。与第一阶段相比，矸石压实过程由微破裂为主向以破裂压密为主的过程转变，压力-压缩量曲线呈明显的上凹特征。

矸石稳定压实阶段 当轴向压力增加到一定程度时，大部分矸石在压力作用下破碎、变形，矸石间的空隙被挤压填实，试样压密成近似整体结构。即使在较大的压力作用下，压缩增量很小，压力-压缩量曲线表现为近似较陡的倾斜直线，如图1所示，试样压缩前后外观对比如图2所示。

图2 矸石试样压缩前后对比

(3)当轴向压力最终达到700kN时，试样1～6压缩量分别为59.89mm，61.03mm，53.99mm，74.60mm，76.98mm和80.69mm，如表3所示。结合各矸石试样的粒径级配特点可以看出，粒径级配对压缩量具有明显的影响，压缩量随试样中小粒径矸石占比增加而减小，随大粒径矸石占比增加逐渐增加。因此，在实际充填工程中，应尽可能采用小粒径矸石进行充填。

表3 试样1～6矸石充填材料最终压缩量及应变

(4)以小粒径矸石在试样中所占比例p(%)为X坐标、压缩量S(mm)为Y坐标，绘制出本试验条件下矸石试样最终压缩量与试样中小粒径矸石所占比例之间的关系，如图3所示，并用线性回归法得到特征方程如下：S=111.57-0.70p。

图3 本试验条件下矸石压缩量与试样中小粒径矸石所占比例的关系

4 结 论

(1)矸石充填材料压缩过程可分为初步压实、破裂压密和整体稳定压实3个阶段，压力-压缩量曲线呈幂指数关系，压缩量增加率随轴向压力增加而减小，压缩量的大部分发生于前期。

(2)100mm以下不同粒径级配矸石试样压缩试验表明，粒径级配对压缩性能具有明显的影响，相同压力条件下，压缩量随试样中小粒径矸石占比增加而减小，随大粒径矸石占比增加逐渐增加。得出了本实验条件下矸石试样压缩量(S)与小粒径矸石占比(p)的关系式：S=111.57-0.70p。

(3)在实际充填工程中，应尽可能采用小粒径矸石进行充填，以取得较好的岩层移动控制效果。

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[责任编辑：李 青]

2016-04-18

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.06.004

张大牛(1979-)，男，陕西咸阳人，工程师，主要从事隧道工程施工方面的工作。

张大牛.不同粒径级配矸石充填材料压缩性能试验研究[J].煤矿开采，2016，21(6)：15-17.

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1006-6225(2016)06-0015-03