矸石膏體充填材料力學(xué)特性試驗

1、Series No. 438December 2012金屬礦山總第438 期METAL MINE矸石膏體充填材料力學(xué)特性試驗*1，2江寧1江興元1預(yù)防控制教育部11( 1.山東科技大學(xué)資源與環(huán)境; 2.礦山)以淄博礦業(yè)岱莊煤礦膏體充填為研究背景，在對煤矸石、粉煤灰等充填材料物化性能研究的基摘 要礎(chǔ)上，通過均勻試驗得出了膏體充填材料最優(yōu)配比，同時對養(yǎng)護 28 d 后的膏體材料力學(xué)性能進行了系統(tǒng)研究并與所置換的煤的力學(xué)性能做了對比分析。研究結(jié)果表明膏體充填材料在有圍壓作用下有較高的殘余強度明顯塑性強化特征，同時得出膏體材料的內(nèi)摩擦角和黏結(jié)系數(shù);與充填置換的煤的力學(xué)性能對比表明膏體材料塑性變形比煤更

2、顯著。矸石膏體 物化性能 配比試驗 力學(xué)特性Study on Mechanical Properties of Coal Waste Paste Filling MaterialsZhang Xinguo1，2 Jiang Ning1 Zhang Yujing1 Jiang Xingyuan1 Zhang Baoliang1( 1. College of Resource and Environmental Engineering，Sh2. Key Laboratory of Ministry of Education for DisastUniversity of Science and T

3、echnology;revention and Control)Abstract Taking paste filling in Daizhuang coal mine of Zibo mining group as the study background，based on the physicochemical properties of gangue，fly ash etc，the uniform experiments concluded the optimal proportion of paste fillingmaterial. Then，studies on mechanica

4、l properties of paste are carried out which is ma ained for 28 d，the contractiveysison mechanical properties betn paste and replacement coal is made. The results showt the filling materials have greaterresidual strength，a clear plastic strengthening characteristics under action of the ambient prere.

5、 Meanwhile，the angle of internal friction and the binding coefficient of the paste material are gained. The plastic characteristic of the paste materials ismore obviousnt of coal through the contrast tests with the mechanical properties of the replaced coal.Keywords Coal waste paste，Physicochemical

6、properties，Proportion experiment，Mechanical properties義13-14。隨著我國煤炭資源的日益減少，“三下一上” ( 建筑物下、鐵路下、水體下和承壓水上) 壓煤開采充填材料選擇煤矸石試驗矸石為取自淄博礦業(yè)岱莊煤礦矸石11. 1目前已成為我國尤其是中東部煤炭企業(yè)的主要技術(shù)難題1-6。膏體充填技術(shù)作為“綠色開采”體系的重要組成部分，是解決“三下一上”壓煤開采的理想途徑7-12。膏體充填開采技術(shù)體系主要由 3 部分組成12:充填材料、充填工藝系統(tǒng)、采動覆巖控制理山、經(jīng)過現(xiàn)場二次細碎的矸石。在分試驗，得到矸石粒級分布如表 1 所示。進行了篩篩分試驗表明

7、，試驗矸石絕大部分粒度介于mm，僅極個別粒度達到 + 20mm，5 250. 1 15. 2論。其中，充填材料是膏體充填技術(shù)的，充填材mm 占 37. 93% ，小于 5 mm 部分占 61. 04% ，基本符料的優(yōu)劣、成本高低對地表沉陷的控制效果及應(yīng)用起著決定性作用。目前，國內(nèi)外對膏體材料的力學(xué)mm，合膏體充填材料中煤矸石最大粒度25性能試驗尚未形成的標準。由于膏體充填材料所用膠結(jié)料較少，一般為總質(zhì)量的 5% 10% 左右，在采場中所起的作用與“固結(jié)土”類似，屬于極“軟弱”類巖石材料，因此，系統(tǒng)研究充填材料的力學(xué)性能，尤其是在三軸作用下的力學(xué)特性對充填材料配比選擇及成本控制具有重要的理論和現(xiàn)

8、實意 國家自然科學(xué)基金項目(:50874070 ) ，山東省自然科學(xué)基金*項目(:Y2008F01 ) ，山東省高等學(xué)?？萍加媱濏椖?:J11LE14) ，山東科 技大學(xué) YCA120306)。創(chuàng)新 基 金 項 目 (1976) ，男，講師，博士，266590 山東省青島市經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)前灣港路 579 號。127總第 438 期金屬礦山表 1 矸石粒度分布5 mm 部分的比例要達到 40% 左右的要求15-16。運用 X 射線衍射儀對矸石成分進行分析，結(jié)果表明矸石主要由石英、長石、高嶺石等礦物組成，遇水膨脹性強，易于泥化的伊利石、蒙脫石等礦物含量較少，比較容易破碎，作為矸石充填材料骨料性能較

9、好，建議加強冬雨天矸石的分析圖譜如圖 1 所示。工作。X 射線衍射圖 3 粉煤灰掃描電鏡分析體充填工藝及生產(chǎn)的需要，控制膏體初凝時間為 34 h，終凝時間為 6 8 h，由于煤礦膏體充填管道一般相對較長，采用有早強作用的膠結(jié)料有一定安全風險，濃度控制不好容易堵塞管道，因此選用普通的水泥作為膠結(jié)料。配比試驗設(shè)計17-18根據(jù)岱莊煤礦的生產(chǎn)實際，試驗采用均勻設(shè)計法19。粉煤灰與水泥質(zhì)量之比范圍取 2 8，煤矸石與水泥質(zhì)量之比的范圍取 4 10，質(zhì)量濃度取 72% 78% 。試驗采用混合水平進行設(shè)計，煤矸石與水泥的比值取 7 個水平，粉煤灰與水泥比值取 7個水平，質(zhì)量濃度取 4 個水平，共做 28

10、次試驗，膏體材料配比試驗方案如表 2 所示。2圖 1 X 射線衍射分析圖譜Q 石英( 多);K 高嶺石( 多);F 長石;I 伊利石;CI 綠泥石;I / M伊蒙混層;M 蒙脫石( 少); ;S菱鐵礦;D白云石( 少);O其他( 少)C1. 2粉煤灰試驗結(jié)果分析試驗測定了膏體塌落度、分層度、泌水率、凝結(jié)時間和各齡期的單軸抗壓強度，試驗結(jié)果見表 3。為了保證膏體良好的管道輸送性能，塌落度應(yīng)當 18 cm，可以發(fā)現(xiàn) P03、P04、P07、P08、P11、P12、P20、 P28 不符合要求;膏體的分層度應(yīng) 2 cm，可以發(fā)現(xiàn) P01、P02、P05、P06、P09、P13、P14、P21 不滿足

11、要求。根據(jù)膏體充填采礦生產(chǎn)要求，膏體需要一定的早期抗壓強度0. 1 MPa，則 P15、P16、P17、P18、P19、P20、P22、P23、P24、P25、P16、3試驗粉煤灰取自岱莊煤礦電廠，對其進行了粒度及電鏡分析。分析結(jié)果表明粉煤灰顆粒粗，含碳量較高，球狀玻璃微珠量少，蜂窩狀或塊狀顆粒較多，對管道潤滑作用一般。激光粒度分析和掃描電鏡分析結(jié)果如圖 2、圖 3 所示。強度，一般要求為 8h P27、P28 均達不到要求。從上面 3綜合分析可知，配比 P10 基本能滿足塌落度、分層度和抗壓強度的工程要求。因此，配比 P10 可作為本系試驗的最優(yōu)配比，即水泥、粉煤灰、煤矸石的質(zhì)量比為 1 4

12、 6，質(zhì)量濃度為 74% 。圖 2 粉煤灰激光粒度分析結(jié)果1. 3膠結(jié)料膠結(jié)料為普通 32. 5 硅酸鹽水泥。一般根據(jù)膏128粒級/ mm含量/% 粒級/ mm含量/%+ 251. 0325 200 6220 162 6816 15 23 7415 2 9 59 829 5 521 075 129. 541 0 215 150 2 0 19 170 1 0 0752 800 0754 38合計100. 00等: 矸石膏體充填材料力學(xué)特性試驗表 2 膏體配比設(shè)計方案表 3 膏體基本性能試驗結(jié)果凝結(jié)時間各齡期單軸抗壓影 響取 值塌落 分層 泌水試驗/ h強度/ MPa試驗號度度率粉煤灰與水泥質(zhì)量比

13、煤矸石與水泥質(zhì)量比質(zhì)量濃度/%號/ cm/ cm/%初凝 終凝8 h1 d28 dP01P02 P03 P04 P05 P06 P07 P08 P09 P10 P11 P12 P13 P14 P15 P16 P17 P18 P19 P20 P21 P22 P23 P24 P25 P26 P27 P2821. 419. 2 14 921. 318. 7 1213. 723. 3 2114. 5 9 2319. 823. 818. 126. 421. 518. 313. 923. 126. 325. 1 2327. 8 2619. 315. 13. 42. 31. 51. 23. 62. 720.

14、 92. 51. 31. 413. 22. 21. 10. 41. 50. 71. 30. 73. 10. 10. 70. 30. 70. 31. 20. 62. 272. 212. 182. 073. 152. 552. 571. 091. 891. 771. 581. 632. 312. 271. 041. 071. 791. 61. 361. 382. 151. 131. 010. 911. 761. 581. 31. 176. 88. 777. 310. 4 1110. 6 6. 7 7. 2 699. 612117. 58. 511. 510. 7 11 10 14 10 9. 5

15、9. 7 1213. 112. 211. 78. 310. 6 8. 8 9. 112. 613. 313. 1 8. 6 9. 1 8. 110. 811. 614. 613. 1 9. 110. 413. 613. 113. 212. 115. 611. 811. 311. 513. 815. 114. 113. 60. 1540. 1300. 2030. 1570. 0700. 0630. 0540. 1340. 1170. 1750. 1130. 1140. 0930. 0970. 1130. 1010. 0990. 0960. 0830. 0690. 0740. 0870. 0620

16、. 0540. 0160. 0230. 0370. 0520. 3310. 3040. 2790. 2510. 1010. 0940. 0870. 2830. 1850. 2270. 1530. 1450. 1140. 1150. 1420. 1370. 1290. 1240. 1130. 1070. 1050. 1160. 0910. 0870. 0670. 0790. 0870. 0924. 894. 193. 793. 613. 453. 143. 093. 6863. 4683. 33. 383. 1343. 092. 913. 4863. 672. 72. 942. 452. 071

17、. 982. 342. 182. 42. 332. 512. 432. 87P012472P02P0322567476P04P05 P06233789787274P07P08331047678P09P1044567274P114776P12P1345897872P14165578P17P1866677274P19P2066897678P21P22 P237771045727476P24P2578677872P26P27 P2888889107476784膏體材料力學(xué)性能試驗選用配比 P10、在恒溫恒濕養(yǎng)護箱養(yǎng)護 28 d 后圖 4 拉伸破壞后的部分試件的膏體制成標準進

18、行試驗。試驗在山東科技大學(xué)礦山預(yù)防控制國家MTS815. 03巖石伺服試驗系統(tǒng)上進行。拉伸試驗作為一種人工制造的“極軟弱”類巖石材料，抗拉強度研究是其力學(xué)性能的重要指標之一。充填后材料作為地層的一部分，在受上覆巖層載荷時首先發(fā)生拉伸破壞，這一點對采空區(qū)充填及覆巖地表控制有著重要意義。試驗按巖石試樣標準進行，采用巴西圓盤法間接拉伸，部分破壞后的試件如圖 4 所示，試驗結(jié)果如圖 5 和表 4 所示。4. 1圖 5 膏體試件拉伸曲線1# 試樣;2 2# 試樣;3 3# 試樣;4 4# 試樣;15# 試樣;6 6# 試樣;7 7# 試樣5129總第 438 期金屬礦山表 4 拉伸試驗結(jié)果從圖 7 可知

19、，膏體試件破壞載荷為 7. 73kN，平均為 8. 72 kN;強度極限為 4. 25 5. 7010. 30試件直 徑/ mm高度 / mm最大拉力/ kN抗拉強度/ MPaMPa，平均為 4. 81 MPa，強度比理論設(shè)計預(yù)想偏高( 理論 28設(shè)計值 2 MPa ); 普氏系數(shù)為 0. 42dL1L2 L3 L4 L5 L6L748 0447 8648 1448 2248 1847 9447 8828 3431 0620 0431 2619 4625 8230 341 3561 3371 6691 5361 3451 7571 1760 634 070 572 5821 101 3690

20、648 7170 913 2570 903 6450 515 3680. 57，平均為 0. 48;彈性模量為 752 1 110 MPa，平均為 971 MPa，彈性模量較小; 泊松比為0. 01 0. 04，平均為 0. 03。由單軸壓縮全應(yīng)力 應(yīng)變曲線知，膏體充填材料表現(xiàn)為明顯的塑性破壞。三軸壓縮試驗為了研究膏體材料在地層中的三向受力變形性能，得出其在不同圍壓下的抗壓強度、殘余強度及黏聚力、內(nèi)摩擦角等值，在 MTS815 巖石伺服試驗系統(tǒng)上進行了圍壓為1、3 MPa 的常規(guī)三軸壓縮試驗。由圖 8、圖 9 圍壓 1 MPa 和 3 MPa 全應(yīng)力 應(yīng)變曲線可知，膏體材料在一定的圍壓下隨著荷

21、載的增加呈現(xiàn)出良好的彈塑性狀態(tài);在加載后期，塑性變形特征表現(xiàn)極其明顯。圍壓為 1MPa 時，膏體材料的三軸強度極限為 9. 54 10. 00 MPa，平均強度為4. 3由圖 5 可以看出，膏體試件的抗拉強度峰值離散性較小，各試件抗拉強度較小，基本在 0. 521. 10 MPa 之間，平均為 0. 75 MPa，且在達到峰值后迅速破壞，基本沒有殘余抗拉強度，屬于非常典型的不抗拉材料，在采空區(qū)極易受上覆巖層荷載而發(fā)生拉伸破壞。4. 2 單軸壓縮試驗巖石抗壓強度是指巖石在單軸壓力作用下達到破壞的極限強度，在數(shù)值上等于破壞時的最大壓應(yīng)力，進行單軸壓縮試驗的目的是了解膏體材料承受應(yīng)力和變形情況。試驗

22、加載方式采用位移控制，峰前加載速度采用 0. 1 mm / s，峰后加載速度采用 0. 2MPa; 殘余強度為 9. 24MPa，平均為9. 799. 39 9. 47MPa。圍壓為 3 MPa 時，膏體材料三軸強度極限為 16. 85 19. 55 MPa，平均為 18. 44 MPa;殘余強度為 16. 83 19. 54 MPa，平均為 18. 40 MPa，膏體在，矸石膏體全應(yīng)mm / s。圖 6 為部分試件破壞后力 應(yīng)變曲線如圖 7 所示。三向受力條件下明顯的塑性強化特征。圖 8 圍壓 1 MPa 全應(yīng)力 應(yīng)變曲線1 1# 試樣;2 2# 試樣;3 3# 試樣圖 6 壓縮破壞后部分試

23、件圖 9 圍壓 3 MPa 全應(yīng)力 應(yīng)變曲線圖 7 單軸壓縮全應(yīng)力 應(yīng)變曲線1 1# 試樣;2 2# 試樣;3 3# 試樣;4 4 # 試樣;5 5# 試樣1 1 試樣;22 試樣;33 試樣;4 4 試樣#根據(jù)膏體材料三軸壓縮試驗結(jié)果，得出膏體材130等: 矸石膏體充填材料力學(xué)特性試驗料線性回歸方程為1 3+ 3. 513 ，= 5. 0線性相關(guān)系數(shù) = 0. 997 9，回歸曲線如圖 10 所示。圖 11 煤樣單軸壓縮全應(yīng)力 應(yīng)變曲線虛線1# 煤樣;細實線 2# 煤樣;粗實線 3# 煤樣圖 10 膏體 1 3 線性回歸直線試驗曲線;回歸曲線根據(jù)應(yīng)力圓關(guān)系可導(dǎo)出 、C 的計算公式:= 2ta

24、n1+ 1 90，槡tank(1 sin)2cosC =.經(jīng)計算知膏體材料黏聚力 C 為 1. 18 MPa，內(nèi)摩擦角 為 39. 58。圖 12煤樣圍壓 1、3 MPa 全應(yīng)力 應(yīng)變曲線虛線 3 MPa;實線 1 MPa膏體材料與煤力學(xué)特性對比由于用膏體材料來置換建( 構(gòu)) 筑物下的煤，因此需要對膏體充填材料和所置換的煤的力學(xué)性能做一個對比分析。本次試驗煤樣取自岱莊煤礦 2351膏體充填工作面，其中拉伸試驗用 4 塊，單軸壓縮試驗用 3 塊，三軸壓縮試驗用 2 塊。表 5 為煤樣拉伸試驗結(jié)果，圖 11 為煤樣單軸壓縮全應(yīng)力 應(yīng)變曲線，圖 12 為不同圍壓煤樣三軸壓縮全應(yīng)力 應(yīng)變曲線。由表 5

25、、圖 11 和圖 12 可知，膏體材料與煤一樣，都屬于典型的抗壓不抗拉材料，在抗拉方面相差不大;單軸壓縮試驗表明，在塑性變形方面膏體材料比煤表現(xiàn)得更突出，即存在一定的可壓縮性，強度相差較大;不同圍巖三軸壓縮試驗表明，隨著荷載的增加，膏體材料強度緩慢增長，破壞特征不顯著，變形量大，在受荷載后強度增加緩慢，力學(xué)特性與所在地層的煤相比有較大差距，但只要保證壓縮到一定程度變形不再增加，仍能起到和煤一樣的支撐效果。5結(jié)論6(1) 運用均勻試驗法得到了膏體充填最優(yōu)配比為水泥、粉煤灰、矸石的質(zhì)量比為 1 4 6，質(zhì)量濃度為 74% 。(2) 對最優(yōu)配比的膏體材料的力學(xué)性能進行了研究，通過單軸拉伸和壓縮試驗，

26、其抗拉強度和單軸抗壓強度離散型較小，并且殘余抗拉強度很小，但是殘余抗拉強度較大，彈性模量較小，泊松比很小，約為煤的 1 /9;矸石膏體壓縮率大10% 左右;三軸試驗表明，膏體即使在較低圍壓下，也表現(xiàn)出明顯的塑性強化特征，可以利用這個特性適當降低充填體強度，達到降低充填成本的目的。(3) 膏體材料與所置換的煤的性能對比表明，膏體材料比煤呈現(xiàn)出更理想的塑性特征，在不同圍壓下隨著荷載的增加強度增長緩慢。參 考 文 獻1清，楊業(yè)大學(xué)倫，1991.姊. 礦山開采沉陷學(xué)M. 徐州:中國礦表 5煤樣拉伸試驗結(jié)果2，等 . 建筑物下采煤M.:煤炭直 徑/ mm厚 度/ mm最大拉力/ kN抗拉強度/ MPa試

27、件工業(yè)，1983.1#2#3#4#49. 0049. 0048. 9048. 5016. 7817. 6622. 0023. 082. 940. 591. 011. 951. 650. 693吳立新，劉，等 . 建( 構(gòu)) 筑物下采煤條帶開采理論與實踐M. 徐州:中國礦業(yè)大學(xué)，1994.0. 741. 16我國三下壓煤及開采中若干問題淺析4.“”( 下轉(zhuǎn)第 135 頁)J. 煤炭經(jīng)濟研究，2004(5) :26 27.131等: 充填采礦用全尾砂膠結(jié)材料流變特性研究(4) 灰砂比為 1 15 的全尾砂砂漿。由圖 4 可以看出，剪切力與剪切速率為線性遞增關(guān)系，為不通過原點的直線，表明砂漿存在初始

28、剪切力。與灰砂比為 1 12 的全尾砂砂漿對比，發(fā)現(xiàn) 1 15 和 1 12 兩種灰砂比的全尾砂砂漿的流變特性具有很大的相似性，其下限濃度仍為 72% 。濃度料漿，從而確保高濃度料漿的安全、大流量和經(jīng)濟輸送。參 考 文 獻1 充填膠凝材料的發(fā)展與應(yīng)用J 黃金學(xué)報，2008，29 (1): 25 29 全尾砂高濃度充填料漿的流變特性J 沈陽黃金學(xué)院學(xué)報，1995，42:143 147，王 虎，等 礦山廢石全尾砂充填研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢J 中國礦業(yè)，2011，20(9) :76 792結(jié)論3(1) 料漿濃度和灰對流變參數(shù)有顯著性影3響，根據(jù)砂漿塌落度、稠度和泌水率與灰砂比和料漿濃度的函數(shù)關(guān)系，可優(yōu)化

29、配制高濃度料漿。根據(jù)工程應(yīng)用經(jīng)驗，塌坍度為 25 cm 時對應(yīng)的料漿濃度可視為料漿實現(xiàn)安全自流輸送的上限濃度，試驗表明此時膠結(jié)充填料漿具有良好的水力輸送性。本試驗中灰砂比為 1 8 的配比中濃度為 70% 時塌落度達到 25. 1 cm，保水性能良好，能夠減少大量泌水的不良現(xiàn)象，提高料漿的穩(wěn)定性，有利于提高水泥全尾砂料漿在管道中的輸送能力。料漿存在的初始剪切應(yīng)力與剪切速率為線性遞增關(guān)系，隨著灰砂比的降低，全尾砂漿的高濃度下限值須從 70% 提高到 72% ，才能夠形成均質(zhì)的高4，盛 佳金礦全尾砂膠結(jié)充填材料配比試驗研究J 采礦技術(shù)，2010，10(2) :17 18 尾砂充填料流變特性和高濃度料漿輸送性能研究5R 長沙:長沙礦山，20116 近代回歸分析原理方法及應(yīng)用M 合肥:，1987 高濃度漿體流變參數(shù)測定的新方法J 中國教育7礦業(yè)大學(xué)學(xué)報，2001，30(4) :371 373 全尾砂高