浅析尾矿压实特性的影响因素

修宗甲

（中国冶金地质总局一局五二〇队，河北 邢台 054001）

0 前言

煤矿开采时，尾矿大量堆放，侵占大量的土地并且使矿区环境受到极大的破坏，影响地表植被的生长与发育；尾矿堆放不稳定，容易出现滑塌和溃坝事故[1-2]。我国存在大量的“三下”压煤，进行开采时，导致地表沉陷，路基沉降、建筑物墙体开裂等[3]。将尾矿对采空区进行充填，不仅可以消除尾矿对环境的影响，还可以有效地控制地表沉陷问题。关于充填材料的研究，国内外积累了不少成功的经验，如尹裕[4]以高炉水淬渣为主要原料的胶凝材料作为充填材料，冯光明等[5]以新型超高水材料作为充填材料，王朝近等[6]以电厂粉煤灰为主要原料制备充填材料。而关于尾矿用于充填的研究很少，因此开展尾矿充填研究有很重要的社会意义。

1 试验方法

为了研究在不同加水量、石灰量下尾矿混和料的应变和变形模量的变化规律，设计石灰含量分别为10%、20%、30%的尾矿混和料进行试验，尾矿自然含水率为4.73%，每个配比做3 次平行试验，最终取3 次试验的平均值。配比方案见表1。

表1 尾矿混合料加水配比方案

试验模具，采用低碳钢制作一内径为220 mm 的圆筒，活塞直径为220 mm，实验装料高度约为170 mm，每组尾矿实验时加载应力从0 逐渐加载到6 MPa，实验系统加载速率为0.2 kN/s，仪器轴向活塞最大行程180 mm，试验模具如图1所示。作用于混和料的压力，轴向位移和形变模量均采用全自动数据采集器自动采集。

图1 实验装置

2 实验结果分析

2.1 应力与应变关系

通过对不同配比的尾矿混和料进行压实试验，得到不同影响因素下的材料应力应变曲线区间，对曲线进行拟合后的拟合方程见表2，应力-应变曲线如图2～图4 所示。

表2 的结果表明，在3 种石灰配比情况下，尾矿混和料的应力与应变之间呈对数关系，即ε=a+bln（σ+c），拟合相关性好。其中，ε为轴向应变；σ为轴向应力；a、b、c为回归系数。

从图中可以看出，在混合料在压实过程可划分为3 个压实阶段。1）应力加载初期，应变曲线斜率很大，该阶段以散体间隙压密、颗粒压实为主。同时受水的影响，加水量越大，该区段的斜率越大，应变速率越快。2）应力在0.5 MPa～2 MPa，应力应变曲线斜率较大，同时，斜率随着应力增大而减小，轴向应力与应变呈非线性关系；该区段混合料为骨架孔隙结构，加载过程中颗粒被压碎、压实，颗粒重组，承载能力进一步加强。3）应力为2 MPa～6 MPa，应变随着应力增大基本呈线性增长，该阶段的尾矿混合料被压密、压实，混合料间隙压到最低，呈现出骨架密实结构，表现出弹性体的特征，承载结构变得稳定。

表2 应力应变关系

另外，图2～图4 的结果表明：在同一压力条件下，加水量越大，材料的应变率越大，即材料的孔隙率越小，密实程度越高。

石灰含量为10%条件下，加水量5%与10%的应力-应变曲线相交；同时，在石灰含量30%条件下，加水量5%和10%的两条应力应变曲线较为接近。表明存在一个石灰含量与加水量的最优配比关系，可以充分发挥石灰的固化功能。

2.2 应力与变形模量的关系

经过对不同配比的尾矿混和料进行压实试验，将得到的试验数据进行处理，并对应力-变形模量关系进行回归分析。得到的拟合方程及相关系数见表3，应力-变形模量曲线如图5～图7 所示。

图2 石灰含量为10%的尾矿混和料的应力应变曲线

图3 石灰含量为20%的尾矿混和料的应力与应变关系曲线

图4 石灰含量为30%的尾矿混和料的应力与应变关系曲线

表3 应力与变形模量的关系

图5 石灰含量为10%的尾矿混和料的应力与变形模量关系曲线

图6 石灰含量为20%的尾矿混和料的应力与变形模量关系曲线

图7 石灰含量为30%的尾矿混和料的应力与变形模量关系曲线

该文得到的变形模量公式为Es=aσ+b，其中a、b为常数。b反应了材料加载的第一阶段，材料固体颗粒间隙压密、压实阶段的参数，反应了制样过程中材料的孔隙程度；而a可以看做是材料对正常承载压力条件下的关系系数，包括弹性形变、压缩形变等，整体来看，a 值基本随着含水率的增加而减小。

从图5～图7 中可以看出：混和料在压实过程中，变形模量随应力的增加而增大。在同等应力状态下，随着水量的增加，呈降低趋势，表明水对尾矿混合料有软化作用，初试含水率下尾矿混和料颗粒强度相对较高，压力条件下不易发生破坏，因此表现出尾矿变形模量较大，充填后，初期有利于减缓地表沉陷。当不加水时，尾矿混合料的变形模量随着石灰含量的增大而增加。而加入水后，石灰含量的变化对材料变形模量的影响较小，基本可以忽略。

3 结论

通过试验研究，得出以下3 个结论。1）尾矿混和料的应力与应变呈对数关系。加水量对材料应力应变关系有较大影响，加水量越多，应变越大，表明水会加速混合料的变形，在力作用下回加快混合料的密实速率。2）尾矿混和料的应力与变形模量呈线性关系。在一定情况下，水对尾矿本体有一定软化功能，影响尾矿自身的强度，加水量越多，变形模量越小。3）尾矿混合料压实过程中3 个不同的阶段，即从悬浮结构到骨架孔隙结构，再到骨架密实结构发展，变形模量逐渐增大。