膏体充填材料力学性能的初步实验.pdf

第 3 3卷 第 2期 2 0 0 4 年 3 月 中国矿业大学学报 J o u r n a l o f Ch i n a Un i v e r s i t y o f Mi n i n g＆ Te c h n o l o g y Vo 1 ． 3 3 NO ． 2 M a r ． 20 04 文章编号 1 0 0 0 1 9 6 4 2 0 0 4 0 2 0 1 5 9 0 3 膏体充填材料力学性能的初步实验 赵才智，周华强，瞿群迪 ，关明亮 中国矿 业大 学 能源科学与工程学院 ， 江苏 徐州 2 2 1 0 O 8 摘要 介绍 了一种适合于煤矿 膏体充填的专用膏体胶结料 ， 它可以在 5 0 k g ／ m。 左右的极少用量 条件下， 保证 膏体快速凝结 固化， 达到 膏体 充填不迁村采煤工程需要的强度性能． 该膏体充填材 料具有典型的塑性特征， 弹性模量大， 在低围压下就转变为应变强化特征， 是一种比较理想的充 填胶结材料． 关键词 膏体 充填；胶结料；强度 ；应变强化 中图分类号 T D 8 2 3 ． 7 ； 0 3 4 6 ． 4 文献标识码 A Pr e l i mi n a r y Te s t o n M e c h a n i c a l Pr o p e r t i e s o f Pa s t e Fi l l i n g M a t e r i a l Z HAO Ca i z h i ，Z HOU Hu a q i a n g，QU Qu n d i ，GUAN Mi n g l i a n g S c h o o l o f Mi n e r a l a n d En e r g y Re s o u r c e s， CUMT，Xu z ho u，J i a n g s u 2 2 1 0 0 8 ，Ch i n a Abs t r a c t On e n e w k i nd o f c e me nt i t i o u s ma t e r i a l ，wh i c h i s s p e c i a l l y s u i t e d t o p a s t e f i l l i n g i n c o a l m i ne，wa s i nt r od u c e d ． Th e p a s t e f i l l i n g s l u r r y， whi c h i s mi xe d wi t h e xt r e me l y s ma l l a mo u nt a b o u t 5 0 k g ／ m。 o f t h e ma t e r i a l ，c a n b e s o l i d i f i e d q u i c k l y a n d r e a c h t h e s t r e n g t h r e q u i r e me n t o f n o n e v i l l a g e r e l o c a t i o n c o a l e x t r a c t i o n e n g i n e e r i n g ． Th e s o l i d i f i e d b o d y i s p r o v i d e d wi t h t y p i c a l p l a s t i c i t y， hi g h e l a s t i c mo d u l u s a n d s t r a i n h a r d e n i n g e v e n u nd e r t he c o nd i t i o n o f v e r y s m a l l s ur r o u n di ng s t r e s s ． Ke y wo r dsp a s t e f i l l i n g；c e me n t i t i o u s ma t e r i a l ；s t r e ng t h；s t r a i n ha r d e n i n g． 为了能够 以低成本、 高采出率的方式解放我国 东部地区数十亿吨村庄压煤， 作者近年来开展了固 体废物膏体充填不迁村采煤技术的研究． 所谓固体 废物膏体充填不迁村采煤 ， 就是把煤矿附近的煤矸 石、 粉煤灰、 工业炉渣、 劣质土、 城市固体垃圾等在 地面加工制作成不需要脱水处理的牙膏状浆体， 采 用充填泵或重力加压 ， 通过管道输送到井下， 适 时 充填采空区或离层区， 形成 以膏体充填体为主的上 覆岩层支撑体系 ， 有效控制地表沉陷在建筑物允许 值范围内， 实现村庄不搬迁， 安全开采建筑物下压 煤， 保护矿区生态环境和地下水资源． 膏体充填技术是 1 9 7 9年德 国在格伦德铅锌矿 首先发展起来的， 由于膏体充填具有料浆浓度高、 充填效率高、 成本较低 ， 这项技术试验成功 以后在 金属矿 山得到较快的发展 ， 在包括我国在内的许多 国家得 到应 用． 膏 体充填 技术 在德 国 Wa l l s u m 、 Mo n o p o l 等数个煤矿薄煤层开采中也曾得到应用 ， 其使 用的膏体充填材料是非胶结性 的， 没有胶结 料， 充填的主要 目的是处理固体废物n ] ． 我国东部地区村庄压煤多数是厚煤层 和中厚 煤层 ， 沿用德国煤矿非胶结膏体充填不能够达到不 迁村采煤的要求， 所以， 必须发展固体废物胶结性 膏体充填． 固体废物胶结性膏体充填在我国煤矿还 没有先例， 能否取得成功的关键在于充填材料． 煤 矿膏体充填要求成本低、 早期强度高． 作者通过研 制专门的膏体胶结料和应用固体废物来提高膏体 充填材料性能， 降低充填成本， 使膏体充填不仅能 够满足不迁村采煤地表沉陷控制工程 的需要， 而且 收稿 日期 2 0 0 31 0 2 7 0 作者简介 赵才智 1 9 7 8 一 ， 男， 山西省孝义市人， 中国矿业大学硕士研究生， 从事环境材料与充填采矿方面的研究 ． 维普资讯 1 6 O 中国矿业大学学报 第 3 3卷 在经济上也能够为煤矿所接受． 1 膏体充填材料的组成与实验设备 以下介绍的膏体充填材料是结合太平煤矿厚 煤层分层膏体充填的需要进行的， 膏体充填材料由 作者研制的膏体胶结料与粉煤灰、 泗河砂与水合理 配制而成． 膏体胶结料是一类 以普通硅酸盐水泥为基材 占一半左右 ， 与石膏、 石灰和多种外加剂等科学 配制 的复合材料 ， 为了便于 区别， 称之为 P L膏体 胶结料． 此材料加水混合后 ， 凝结 的初期快速水化 生成适当量的高结晶水水化物一钙矾石， 其分子式 为 3 C a O AI 2 O。 3 C a S O 3 2 H2 O， 结晶水分子容 积高达 8 1 ． 1 6 ， 从而达到速凝、 早强的效果 ； 凝结 的中期和后期， 又能够正常水化生成硅酸钙凝胶等 胶凝物 质， 如 3 C a O 2 S i O 23 H2 O， 3 C a O AI 2 O 3 Ca S O41 2 H2 O ， 4 Ca O Al 2 o31 3 H2 O ， 6 Ca O Al 2 o 。 F e 2 O 。1 2 H2 O， C a o H 2 等 ， 具有后 期强 度持续增长的特点 ， 保证 了后期强度的需要． 粉煤灰在充填材料种主要发挥微集料作用， 目 的是在胶结料掺量很少 的条件下保证膏体具有 良 好 的工艺性能． 所用粉煤灰为里彦电厂烟尘粗灰， 经检测， 这种 粉煤灰 0 ． 0 8 mm 方孔 筛筛余 量 2 6 ，标准稠度 3 2 ． 5 ， 化 学成分为 S i O 占 5 4 ． 6 8 ； F e 2 O3 占 5 ． 8 4 ； Al 2 o3 占2 6 ． 7 0 ； C a o 占4 ． 3 6 Mg O 占 1 ． 2 O L o s s占 1 ． 9 2 ． 由于泗河穿过太平煤矿膏体充填试验区， 泗河 砂又是 当地建筑一般不用的特细砂 ， 来源丰富， 所 以选泗河砂为基本集料． 泗河砂密度 2 ． 6 3 t ／ m。 ， 平 均粒径 0 ． 2 7 5 mm， 含泥量 3 ． 5 ， 细度模数 1 ． 3 6 ， 为特细砂． 膏体充填材料的强度实验在普通材料压 力试验机上完成， 试件为 7 O ． 7 mm7 0 ． 7 mm 7 O ． 7 mm 规 格 ； 有 关 变 形 性 能 和 三 轴 实 验 在 MT S 8 1 5 ． 0 2型 电液伺服岩石力 学试验 系统上进 行， 试件规格为 5 0 1 0 0 mm． 2 膏体充填材料的强度 图 1是 P L型膏体充填材料抗压强度与龄期 的关 系． 此 实验的条件为 P L膏体 胶结料用量 5 o k g ／ m。 ， 如果按照质量百分 比为 2 ． 5 ， 粉 煤灰 2 5 0 k g ／ m。 ， 质量浓 度 8 2 ． 这种条件 下， 膏体 料浆凝 结 6 h抗压强度大于 0 ． 1 5 MP a ； 1 d抗压强度大于 0 ． 2 5 MP a ； 2 8 d抗压强度大于 1 MP a ， 能够满足一 般煤矿膏体充填不迁村采煤工程的需要． 图 1 P L型膏体充填材料强度与龄期关系 F i g ． 1 Th e r e l a t i o n s h i p b e t we e n s t r e n g t h a n d s e t t i n g t i me o f PL t y p e p a s t e f i l l i n g ma t e r i a l 上述实验说明， 采用 P L膏体胶结料可 以在极 少用量 5 0 k g ／ m。 左右 条件下使膏体充填材料快 速凝结 固化， 早期 即具有一定的抗压强度． 如果仅 用普通水泥作胶结料， 同样用量条件下 ， 所作的膏 体材料凝结 1 d也没 有抗压强度， 即使后期 ， 也只 有 P L膏体胶结料凝固体的 1 ／ 3左右． 对于不 同工 程 ， 有关膏体充填材料强度要求可能各不相同， 可 以通过调整膏体胶结料掺量等来达到要求． 膏体充填材料的弹性模量 膏体充填材料峰值强度前 的平均弹性模量是 通过单轴全应 力一 应变实验获得的， 初步实验 了 3 种情况， 第 1 种情况 称 1 号材料 ， 配制的膏体充 填材料抗压强度仅为 0 ． 5 MP a ， 其平均弹性模量为 5 6 5 MP a ， 第 2 ， 3种情况 分别称 2 ， 3号材料 ， 膏 体充填材料抗压强度分别为 1 ． 2 ， 1 ． 9 MP a ， 对应的 平均弹性模量分别是 3 1 1 3 ， 3 5 1 7 MP a ． 以后的三 轴压缩实验的 3种情况也是与之对应的． 与其它类型的充填材料相比， 膏体充填材料的 弹性模量较大． 比如 ， 高水速凝充填材料 ， 其抗压强 度 5 MP a左 右 ， 对 应 的 弹性 模 量平 均 只 有 6 4 6 M Pa [ 4 ] ．膏体充填材料弹性模量大对控制开采沉陷 非常有利 ， 可以显著降低因为充填体压缩产生的开 采沉陷， 总体上能够 进一步提高开采沉 陷控制效 果． 膏体充填材料的变形性能 4 ． 1 单轴压缩实验 膏体充填材料 的单轴压缩全应力应变曲线如 图 2所示， 不同配 比下充填体的全应力一 应变 曲线 形状基本一致， 即它们有着共同的规律， 表现出明 显 的塑性特征． 膏体充填材料全应力一 应变过程可 分为 5 个 阶段 1 第 1阶段为 O A段 ， 主要特点是 曲线 的斜 率是逐渐增大的， 曲线是上弯的， 随变形的加大 ， 应 力随之增大． 日 龟乏 越辑田 舞斗 维普资讯 第 2 期 赵才智等膏体充填材料力学性能的初步实验 1 6 1 3 ． 舞0 0 0． 0l 0． 02 0． 03 0． 0 4 0． 05 应变 ／ mm m m 图 2 P L膏体充填材料单轴压缩 全应 力一 应变 曲线 Fi g ． 2 Th e f u l l y s t r e s s s t r a i n c u r v e s o f PL t y p e p a s t e f i l l i n g M a t e r i a l o n u n i a x i a l c o m p r e ssi o n 2 第 2阶段为 AB段 ， 该段为弹性阶段 ， 主要 特点是曲线近似为直线， 即曲线斜率为常数 ， 此段 随应力的增加 ， 应变增量很小， 龄期越大 ， 弹性模量 越大 ， 极限强度越大． 3 第 3阶段为 B C段 ， 主要特点是 曲线下弯 ， 即曲线斜率逐渐减小 ， 此段在载荷作用下， 纵 向裂 8 ．0 三 6 ．0 捐 。 0 匠2 ． 0 舞 0 隙扩展导致试件达到 C点， 即峰值强度． 需要指出 的是， 采用刚性伺服机测得充填材料的峰值强度比 普通材料压力试验机测试结果适当偏高． 4 第 4阶段为 C D段 ， 为应力软化阶段 ， 在这 阶段内， 试件随应变的继续增加， 抗压强度逐渐降 低 ， 到 D 点达到残余强度． 峰值强度越大， 相对残 余强度越小． 5 第 5 阶段为D点以后， 残余变形阶段， 在这 阶段 ， 随应变继续增加， 材料抗压强度基本维持在 残余强度水平． 4 ． 2 三轴压缩实验 3种强度的P L膏体充填材料的三轴实验考虑 了 3种围压 ， 分别为 O r 一0 ． 5 ， 1 ． 0 ， 2 ． 0 MP a ， 实验 结果如图 3 所示． 一 0 ．0 2 0 ． 0 4 0 ． 0 6 0 0 8 0 ． 1 0 0 ． 1 2 轴向应变 a l 材料 0 0 ．0 4 0 ．0 8 0 ． 1 2 轴向应变 b 2 材料 ＼ 椒 R 锗 星 舞 0 0 ．0 2 0 ．O 4 0 ．O 6 0 ．0 8 0 ． 1 0 0 ． 1 2 轴向应变 c 3 材料 图 3 P L膏体充填材料三轴压缩试验应力一 应变关系 F i g ． 3 Th e s t r e s s s t r a i n c u r v e s of P L t y p e p a s t e f i l l i n g ma t e r i a l o n t r i a x i a l c o mp r e s s i o n 1 ， 2 ， 3分别为 一O ． 5 ， 1 ． O ， 2 ． 0 MP a 从 图 3可以看 出， P L膏体充填材料变形性能 受侧向围压影响十分 明显 ， 3种强度材料 即使在 围 压只有 0 ． 5 MP a的条件下 ， 都 表现 出典型 的塑性 强化特征 ， 但是 ， 不 同强度 的膏体充填材料表现 的 塑性强化程度有差异 ； 单轴抗压强度较低的膏体充 填材 料， 如 图 3 a ， 3种围压条件下 ， 即使应变达到 1 0 ， 都一致呈现塑性强化特征 ， 而单轴抗压强度 较高 的膏体充填材料 ， 如 图 3 c ， 在低 围压下， 先表 现为塑性强化特征， 在应变达到 6 左右 以后继续 变形 ， 又表现 出塑性软化特征， 总体上看 ， 一般围压 接近或达到材料的单轴抗压强度水平 ， 膏体充填材 料在实验的应变范围内将不出现应变软化． 膏体充填材料在低围压下表现出明显的塑性 强化特征非常重要， 可以充分利用这个性能， 在膏 体充填不迁村采煤设计中适 当降低充填材料强度 的要求， 降低充填材料成本， 取得更好的经济效益． 5 结论 1 P L膏体胶结料在 5 0 k g ／ m。 左右 的极少使 用量条件下， 能够使膏体充填材料快速凝结固化， 在数小时内达到一定的强度， 可 以满足膏体充填不 迁村采煤工程的需要 ； 2 P L膏体充填材料与其它充填材料 比较 ， 弹 性模量较大 ， 抗变形能力强 ， 有利于提 高充填控制 开采沉陷的效果； 3 P L膏体充填材料在低 围压下 即能够 表现 出突出的塑性强化特征 ， 实践 中可充分利用这个特 性， 适当降低充填材料的强度要求， 降低充填成本． 参考文献 [ 1 ] We r n e r M ， F r i e d r i c h S ．Ne w p o s s i b i l i t i e s i n d i s p o s a l o f r e s i d u a l ma t e r i a l b y t h e t e c h n i q u e o f f m u p g oaf c a v i t i e s i n c o a l mi n i n g [ A] ．R a j K S i n g h a l ，A n i l K M e h r o t r a ，Ko s t a s F y t a s ，e t a 1 ．En v i r o n me n t a l i s s u e s a n d ma n a g e me n t o f wa s t e i n e n e r g y a n d mi n e r a l p r o d u c t i o n [ C] ．Ro t t e r d a m A．A．B a l k e ma ，1 9 9 2 ． 379 38 8． [ 2 ] 刘同有， 周成浦， 金铭 良， 等．充填采矿技术与应用 [ M] ．北京 冶金 工业出版社，2 0 0 1 ． [ 3 ] 孙恒虎， 黄玉诚，杨宝贵．当代胶结充填技术[ M] ． 北 京 冶金工业 出版社 ， 2 0 0 2 ． [ 4 ] 王悦汉， 王彩根， 周华强．巷道支架壁后充填技术 [ M] ．北京煤炭工业出版社， 1 9 9 5 ． 责任编辑王玉浚 维普资讯