基于最佳级配的矸石胶结充填体变形和破坏特征试验研究_李新旺.pdf

第 51 卷第 5 期 2020 年 5 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.5 May 2020 基于最佳级配的矸石胶结充填体变形 和破坏特征试验研究 李新旺 １， ２， 赵新元１， 程立朝１， ２， 秦义岭１ （１．河北工程大学 矿业与测绘工程学院， 河北 邯郸 ０５６０３８； ２．河北工程大学 河北省高校煤炭资源开发与建设应用技术 研发中心， 河北 邯郸 ０５６０３８） 摘要基于泰波理论， 获得充填矸石的最佳级配， 并掺入不同质量比的水泥， 在不同的养护龄 期条件下对矸石胶结充填体进行单轴压缩试验， 研究其压缩过程中的强度和变形特性以及充填 体的最终破坏形态。 结果表明 泰波系数 ｎ＝０．４ 的级配为粒径不大于 ４０ ｍｍ 矸石的最佳级配； 水 泥掺量越多， 养护龄期越长， 试件的抗压强度数值越大； 矸石胶结充填体单轴压缩试验应力应变 全过程分为 ４ 个阶段， 即孔裂隙压密阶段、 弹性变形阶段、 裂隙扩展阶段和峰后破坏阶段； 矸石 胶结充填体达到峰值强度后呈现出不同程度的应变软化特性，其最终破坏形态主要有 ３ 种， 即 劈裂破坏、 剪切破坏和锥形破坏， 劈裂破坏为最主要的破坏形态。 关键词最佳级配； 矸石胶结充填； 变形特性； 破坏形态； 单轴压缩试验 中图分类号TD315.3文献标志码A文章编号１００３－４９６Ｘ（２０２０）０５－0078-05 Experimental Study on Strength and Deation Characteristics of Gangue Cemented Backfill Under Optimal Grading Conditions LI Xinwang1,2, ZHAO Xinyuan1, CHENG Lichao1,2, QIN Yiling1 （1.College of Mining and Geomatics Engineering, Hebei University of Engineering, Handan 056038, China;2.Coal Resources Development and Construction Application Technology Research Center of Universities in Hebei Province, Hebei University of Engineering, Handan 056038, China） Abstract Based on the talbol’ s theory, the best gradation of filled gangue is obtained, and cement with different mass ratios was added. The uniaxial compression test of gangue cemented backfill is carried out under different curing age conditions, and its strength and deation characteristics and the final failure mode are studied. The results show that the gradation of talbol coefficient n0.4 is the best gradation of gangue with particle size no more than 40 mm; the more the cement content, the longer the curing age, and the greater the compressive strength of the specimen; the whole process of uniaxial compression stress and strain of gangue cemented backfill is divided into four stages, namely, pore fracture compaction stage, elastic deation stage, fracture expansion stage and post-peak failure stage; the gangue cemented backfill exhibits different degree of strain softening characteristics after reaching the peak strength. The final failure modes are mainly three types, namely, splitting failure, shear failure and conical failure. Splitting failure is the most important failure mode. Key words optimal gradation; gangue cemented filling; deation characteristics; failure mode; uniaxial compression test 矸石材料直接充填入采空区，如果不添加胶凝 材料， 会形成 1 种松散的堆积体， 其稳定性和抗压能 力不佳， 对限制上覆岩层的运移下沉作用有限[1-3]。 DOI10.13347/ki.mkaq.2020.05.015 李新旺， 赵新元， 程立朝， 等．基于最佳级配的矸石胶结充填体变形和破坏特征试验研究 ［Ｊ］ ．煤矿安全， ２０２０， ５１ （５ ） 78-82. LI Xinwang, ZHAO Xinyuan, CHENG Lichao, et al. Experimental Study on Strength and Deation Char－ acteristics of Gangue Cemented Backfill Under Optimal Grading Conditions［J］ . Safety in Coal Mines, 2020, 51 （5） 78-82. 移动扫码阅读 基金项目 河北省重点研发计划资助项目 （18273815D ） ； 河北省高 等学校科学技术研究资助项目 （QN2017031） ； 河北省教育厅在读 研究生创新能力培养资助项目 （CXZZSS2019077） 78 ChaoXing 第 51 卷第 5 期 2020 年 5 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.5 May 2020 在煤矿实际生产中，以矸石为骨料并掺入适量的辅 料和胶凝材料的充填方法借鉴了金属矿山领域的胶 结充填方法，主要应用于采空区充填甚至沿空留巷 巷旁支护， 取得了良好的充填效果[4-8]。 充填体抗压变形规律和破坏特征是矿山胶结充 填开采技术研究的重要内容， 为实际充填过程中的 充填材料优化、充填体稳定性的分析以及岩体工程 灾害的预防治理提供重要依据，是实现井下安全高 效绿色开采的关键[9-12]。 目前专家学者们主要对各种 岩石试件[13-14]、 废石尾砂充填体[15-16]、 混凝土[17-18]、 充 填膏体[19]等材料进行了单轴压缩试验， 对其抗压性 能和破坏形式等力学性质也进行了研究，然而鲜有 对不加辅料的矸石在最佳级配条件下与水泥混合形 成的胶结充填体进行抗压强度、变形特性以及破坏 特征方面的研究。为此通过对不同泰波系数下的连 续级配矸石进行压缩，找到矸石的最佳级配，并掺 入常见的胶结材料-水泥，研究矸石胶结充填体在 一定养护龄期下的强度和变形特性以及充填体试件 破坏形态， 为井下矸石胶结充填开采应用提供参考。 1矸石最佳级配选择 1.1试验装置 试验采用的加载设备为长春新科 YA-600 型微 机控制全自动压力试验机，试验机加载方式采用力 加载， 加载速率为 0.1 kN/s， 每 1 s 记录 1 次数据。 试 验中所采用的矸石最大粒径为 40 mm，根据能源行 业标准 NB/T 510192014 固体充填物料压实特性 测试方法 及有关文献[20]， 试验矸石压实模具形状 设计为封底圆形钢筒， 内径为 120 mm， 壁厚 10 mm， 高度 200 mm， 设计的压实钢筒在压缩过程中不会发 生破坏和变形。试验装置实物图如图 1。 1.2试验方案 根据邢台某矿生产排出的矸石粒径分布情况， 选择占比较多的粒径不大于 40 mm 的矸石作为试 验材料，并运用泰波理论对不同粒径的矸石配比进 行指导。其中泰波公式表示如下 P100 d D n 式中 Ｐ 为矸石各级粒径的通过率， ； d 为矸石 各级粒径， ｍｍ； Ｄ 为矸石的最大粒径， ｍｍ； ｎ 为试验 指数， 一般取 ０．３～０．７。 根据泰波公式， n 取值 0.30.7，将粒径小于 40 mm 的矸石进行筛分配比，得到的连续级配矸石配 比表见表 1。 1.3试验结果 通过对不同泰波系数的连续级配矸石进行压缩 试验， 得到的连续级配矸石应力应变曲线图如图 2。 由图 2 可知，连续级配矸石压缩应力应变曲线 表现为对数形态， 随应力不断增加， 应变增加呈先快 后慢趋势，应变增长趋势由快到慢的拐点应力约为 2 MPa。通过不同泰波系数应力应变曲线对比发现， 泰波系数 n0.4 的连续级配矸石应变最小， 说明泰波 系数 n0.4 的连续级配矸石压缩率最小，密实度最 高， 故选择此级配作为本试验充填矸石的最佳级配。 n 的取值 不同粒径区间矸石占比/ 0d≤1010d≤2020d≤3030d≤40 0.365.9815.2510.5０8.270 0.457.4318.3613.3410.87 0.550．００20.7115.8913.40 0.643.5322.4518.1715.85 0.737.8923.6720.2018.24 图1试验装置实物图 Fig 1Physical diagram of the test device 表1连续级配矸石配比表 Table 1Continuous grading gangue ratio table 图2连续级配矸石压缩应力应变曲线 Fig.2Stress-strain curves of continuous graded gangue compression 79 ChaoXing 第 51 卷第 5 期 2020 年 5 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.5 May 2020 2充填体试件单轴压缩试验 2.1试验设计 最佳连续级配矸石材料虽然压缩率最小，密实 性最高，但由于本身的松散结构导致直接充填的矸 石材料固结性和稳定性不佳，所以需要在松散矸石 中掺入胶结材料，提高充填体的承载性能。试验选 择普通硅酸盐水泥作为矸石充填的胶结材料，分析 研究不同水泥掺量的胶结充填体分别在不同养护龄 期条件下的强度及变形特性和充填体破坏形式， 为 井下矸石充填工程提供参考。试验方案设计见表 2。 2.2试验操作过程 试验过程为 首先选择内径 154 mm、 高度 180 mm 的高强度 PVC 圆筒作为矸石水泥混合料的成型 模具， 在模具内壁和底部涂抹 1 层润滑油， 方便后期 脱模； 然后每个试验编号制作 3 个试件， 每个试件按 照最佳连续级配配制矸石材料 5 kg， 在其中掺入试 验编号对应的水泥掺量， 水灰质量比取 0.6， 搅拌均 匀之后将混合料完全倒入圆筒模具并抹平。由于井 下实际矸石充填过程中为了增加充填体的致密性和 稳定性，充填支架上的夯实机构会对充填体进行夯 实， 夯实力最大不超过 2 MPa。 所以试验需要对圆筒 模具中的矸石水泥混合料进行轴向压实，压应力定 为 2 MPa。最后将压实过的试件放置于温度为 （15 2）℃、 湿度为 80的养护室内进行养护， 养护龄期 为表 2 中试验编号对应的龄期。在试件达到相应的 养护龄期后，对试件进行脱模，并参照 GB/T 500812002普通混凝土力学性能试验方法 对充 填体试件进行单轴压缩实验，观测试件的单轴抗压 强度变化和试件变形破坏特征。 3试验结果分析 3.1强度特性 为了减少试验误差，真实反映充填体的抗压强 度，取每组试验编号下 3 个试件抗压强度的平均值 作为试验观测的最终结果，平均抗压强度数据表见 表 3。 由表 3 分析可知， 相同龄期条件下， 随着水泥掺 量的增加，充填体试件单轴抗压强度峰值也不同程 度的增大。通过对试件的相同水泥掺量、不同养护 龄期条件下的抗压强度数据对比发现，水泥掺量相 同时， 养护龄期越长， 充填体试件的平均抗压强度也 越大。其中，试验中平均抗压强度最小值为 0.72 MPa， 其水泥掺量和养护龄期在试验组中为最小； 水 泥掺量为 20的充填体试件在养护龄期为 21 d 条 件下的平均抗压强度最大， 达到 6.2 MPa， 故在实际 充填应用中， 为使充填体更好支撑顶板， 应尽量提高 充填体的水泥掺量， 并增加养护龄期， 但也要综合考 虑充填成本及矿压显现规律等因素。 3.2变形特性 为了尽可能真实的反映充填体的变形特性， 减 少偶然性误差，取每组试验编号下 3 个试件抗压强 度的中间值作为试验观测的最终结果，不同龄期和 不同水泥掺量条件下的充填体试件单轴抗压强度数 据曲线如图 3。 由上图 3 可知，充填体试件达到峰值强度发生 破坏时的应变普遍较小， 范围在 0.02～0.07 之间； 充 填体达到峰值强度之后，试件破坏的发生并不是突 发性的， 而是呈现不同程度的缓慢渐进的破坏过程， 此时试件应变不断增加而承载能力缓慢下降，表现 出应变软化特性。由图可知， 在峰值强度之后， 水泥 掺量为 5和 10的试件峰后破坏阶段应变软化特 性较为显著，这种峰后破坏时表现出的应变软化特 试验编号水泥掺量/养护龄期/d 157 2514 3521 4107 51014 61021 7157 81514 91521 10207 112014 122021 水泥掺量/ 不同养护龄期下的强度/MPa 7 d14 d21 d 50.721.181.37 101.202.263.95 153.243.964.50 204.705.206.20 表2试验方案设计表 Table 2Test scheme design table 表3平均抗压强度数据表 Table 3Data table of mean compressive strength 80 ChaoXing 第 51 卷第 5 期 2020 年 5 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.5 May 2020 图5破坏形态实物图 Fig.5Physical pictures of failure morphology 图3充填体应力应变曲线图 Fig.3Stress-strain curves of backfill 性对于充填矿山的安全是有利的。 各个条件下的充填体试件应力应变曲线变化程 度虽然各不相同，但是与典型的岩石单轴压缩试验 应力应变全过程曲线形态基本相似，都经历了试件 的孔裂隙压密阶段、弹性变形阶段、裂隙扩展阶段 和峰后破坏阶段等单轴压缩试验全过程的 4 个阶 段，构建的充填体试件压缩破坏应力应变全过程曲 线模型如图 4。 3.3充填体破坏形态 通过对各组充填体试件进行单轴压缩试验， 观 察不同条件下的试件在压缩过程中的变化情况， 并 对试件达到峰值强度后发生破坏后的典型形态进行 了分析， 破坏形态实物图如图 5。 由试验观测可知，充填体试件发生破坏的形态 主要有 3 种 劈裂破坏、 剪切破坏和锥形破坏， 其中 劈裂破坏在所有充填体试件压缩破坏形态中出现次 数最多， 且水泥掺量越多， 越容易出现劈裂破坏。 图4充填体单轴压缩应力应变曲线模型 Fig.4Uniaxial compression stress -strain curve model of backfill 81 ChaoXing 第 51 卷第 5 期 2020 年 5 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.5 May 2020 试件的劈裂破坏表现为在充填体试件受到轴向 压缩时，充填体试件内部受到张拉应力的作用产生 1 道纵向贯穿试件的主裂隙，并随着压缩的进行而 横向扩张，同时在主裂隙扩张的基础上又产生次生 裂隙，胶结性差的小块体首先开始剥落，从外观看 试件发生膨胀变形，仍具有一定的整体性，但承载 能力已经大幅下降。充填体试件发生剪切破坏主要 表现为试件上下端面具有良好的完整性，但试件中 部存在较多弱面，在压力的作用下弱面相互贯通， 沿上端面边缘向下产生 1 道倾斜的主裂隙，试件被 分成上下 2 个整体， 并沿中间的主裂隙产生错动， 同 时在主裂隙基础上又产生几道次生裂隙，从而使试 件整体破坏，失去承载能力。锥形破坏形态主要发 生在水泥掺量较少且养护龄期较短的试件上，上下 端面由于受到压板摩擦约束作用而破坏较小，而试 件内部并没有完全固结，试件中部孔隙较多且矸石 胶结能力较弱，在无侧限受压条件下向外变形剥离 散落， 最终形成锥形破坏形态。 4结论 1） 通过对泰波理论指导下的连续级配矸石进行 压缩试验， 得出粒径不大于 40 mm 的矸石最佳级配 为泰波系数 n0.4 的矸石级配。 2 ） 水泥掺量和养护龄期的增加， 有利于增加充 填体的强度。充填体单轴压缩应力应变曲线与岩石 压缩全过程曲线相似， 均经历了 4 个阶段 孔裂隙压 密阶段、弹性变形阶段、裂隙扩展阶段和峰后破坏 阶段等，并构建充填体试件压缩破坏应力应变全过 程曲线模型。 3） 充填体试件达到峰值强度后呈现不同程度的 应变软化特性， 其最终破坏形态主要有 3 种， 即劈裂 破坏、剪切破坏和锥形破坏，其中劈裂破坏在所有 充填体试件压缩破坏形态中出现次数最多，且水泥 掺量越多， 出现劈裂破坏的概率也越大。 参考文献 ［１］ 张吉雄．矸石直接充填综采岩层移动控制及其应用研 究 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