王宇侯澤宇李星儀

摘 要：

設(shè)計不同配比材料強度測試方案。以煤矸石為原料根據(jù)試驗設(shè)計的配比，按照國家相關(guān)規(guī)范要求，添加高水材料制作速凝固化充填材料試樣，并進行養(yǎng)護。對取自施工現(xiàn)場的材料進行抗壓和劈裂抗拉強度試驗，實驗研究表明，所采用的充填材料強度滿足設(shè)計要求。

關(guān)鍵詞：

煤矸石；配比試驗；力學特性

中圖分類號：TB

文獻標識碼：A

doi：10.19311/j.cnki.16723198.2016.10.092

1 引言

焦煤是我國的優(yōu)質(zhì)煤種資源，屬世界稀缺煤種。隨著我國煤炭資源的日益減少，建筑物下、鐵路下、水體下和承壓水上的壓煤開采目前已成為我國煤炭企業(yè)面臨的主要技術(shù)難題。真實的回采區(qū)巷道分布難以準確判斷，但通過對工作面推進過程中矸石冒落帶的形狀、分布和注漿過程中的觀察，推測一串互相連通的巷道頂板垮落是形成采空區(qū)的主要原因。

復(fù)采利用是指在老礦井、老水平、老采區(qū)、老工作面等，由于地質(zhì)、采礦、管理技術(shù)以及時間變化等原因造成上述地區(qū)遺留煤炭，對這些遺留煤炭重新開采利用的過程就叫復(fù)采利用。充填復(fù)采是采用泵送注漿的方式充填采空區(qū)，保證工作面按照正常方式推進回采，具有經(jīng)濟、高效、簡單、安全等優(yōu)點，是一種實現(xiàn)安全高采出率開采，深度提高礦井經(jīng)濟效益的技術(shù)。根據(jù)試驗過程中得到的數(shù)據(jù)，計算材料的彈性模量，剪切模量，泊松比，抗壓強度等力學特性參數(shù)。根據(jù)全應(yīng)力-應(yīng)變曲線與材料力學特性，優(yōu)化材料配比。

2 充填材料選擇

雖然小煤窯回采巷道的分布位置難以確定，但是通過觀察可推測大面積的采空區(qū)是一串互相連通的巷道頂板垮落后形成的，此類問題可以使用注漿充填這個方法來解決。

2.1 充填材料要求

根據(jù)施工及回采的要求，充填材料應(yīng)具有以下特性。

（1）材料力學性能必須滿足頂板支護的要求，同時強度配比易于調(diào)節(jié)。

（2）部分材料充填后處在煤機截割范圍內(nèi)，因此應(yīng)具有可截割性。

（3）井下環(huán)境復(fù)雜，施工空間受限，所以充填系統(tǒng)應(yīng)簡單易操作。

（4）材料會混入煤炭，且不易水化，具備可洗選性。

（5）材料要易于購買，材料成本需可控。

（6）考慮到需要自流填充，材料需要具有一定流動性。

2.2 充填材料選擇

以煤矸石為原料，根據(jù)設(shè)計的配比方案，按照國家相關(guān)規(guī)范要求，添加高水材料制作速凝固化充填材料試樣。其中高水固結(jié)充填體是指利用高水速凝材料與水經(jīng)攪拌制成的混合料漿，用泵或自流輸送到采空區(qū)后，凝結(jié)成的固化體，具有耐水、速凝、強度可再生等特點。

3 試驗方案設(shè)計

3.1 材料的抗壓強度與抗拉強度

巖石的抗壓強度是指在無側(cè)束狀態(tài)下所能承受的最大壓力，強度試驗中最主要的便為抗壓強度的試驗。充填材料的抗壓強度是否達到要求，將對回采過程中工作面安全可靠產(chǎn)生重要影響。

抗拉強度即表征材料最大均勻塑性變形的抗力，拉伸試樣在承受最大拉應(yīng)力之前，變形是均勻一致的，但超出之后，金屬開始出現(xiàn)縮頸現(xiàn)象，即產(chǎn)生集中變形；為它沒有形成脆性材料的均勻的塑性變形，拉伸強度反映了材料的抗斷裂性。由于填充材料是可以拉伸和壓縮，若材料的拉伸強度小于在采礦影響抗壓強度，在采動影響下，充填體可能產(chǎn)生拉破壞而失去承載能力。對材料的抗拉強度研究將對指導掌握回采過程中充填材料支撐能力和選取復(fù)采區(qū)支護方式起到幫助作用。

3.2 實驗方法

3.3 設(shè)備描述

微機控制巖石伺服三軸、剪切（蠕變）壓力試驗機，可以實現(xiàn)巖石單軸、三軸、巖石直剪、巖石三軸（單軸）蠕變、巖石剪切蠕變等多種試驗，能夠完成在不同圍壓、測試巖石的彈性參量；全應(yīng)力—變應(yīng)力試驗，獲得峰值強度和殘余強度；蠕變試驗；松弛試驗。

3.4 試樣制備

實驗材料取自施工現(xiàn)場，用邊長為150mm的立方體塑料模具制作成型。分為6組，每組3塊，共18塊，經(jīng)振搗密實后靜置一晝夜，試件拆模養(yǎng)護齡期為28天之后進行實驗。

4 材料配比設(shè)計

充填材料試樣按照水灰比1～3、煤矸石粒徑大小取0（無矸石）、小于20mm、20mm～40mm、40mm～60mm，組成12組進行對比實驗，表1為充填材料配比設(shè)計方案。

5 實驗及結(jié)果分析

5.1 實驗方法

本實驗參照行業(yè)標準《SL352-2006水工混凝土試驗規(guī)程》，立方體試樣的單軸壓縮試驗采用中國礦業(yè)大學力學實驗室TAWD-2000巖石伺服三軸、剪切（蠕變）壓力試驗機進行。

5.2 實驗結(jié)果

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充填材料承受應(yīng)力和變形情況。實驗結(jié)果如表2所示。

試驗加載方式采用位移控制，峰前加載速度采用0.1mm/s，峰后加載速度采用0.2mm/s。不同配比下充填體的全應(yīng)力-應(yīng)變曲線形狀基本一致，表現(xiàn)出明顯的塑性，且具有相同的規(guī)律。

6 結(jié)論

充填體壓縮損害時有一定的可塑性，這會破壞的過程是緩慢而漸進的，有利于回采的安全挖掘。在特定的地質(zhì)條件，采高是影響覆巖層破壞狀況最重要的因素之一。

經(jīng)過實驗研究，研究中所配比的混凝土充填材料都可以實現(xiàn)注漿充填的功能作用，滿足抗拉抗壓強度要求，可應(yīng)用于復(fù)采區(qū)充填注漿工作。經(jīng)過多次比選，在可知范圍內(nèi)確定采用水灰比1∶1、矸石粒徑小于20mm、質(zhì)量比為5的充填材料作為復(fù)采區(qū)充填材料滿足全部要求且經(jīng)濟效益高。

參考文獻

[1]趙傳卿，胡乃聯(lián).充填膠凝材料的發(fā)展與應(yīng)用[J].黃金學報，2008，29（1）：2529.

[2]王賢來，姚維信，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）：7679.

[3]曹安華，李永輝，盛佳.祁雨溝金礦全尾砂膠結(jié)充填材料配比試驗研究[J].采礦技術(shù)，2010，10（2）：1718.

[4]胡華，崔明義.高水材料硬化體特性及其充填體力學作用機理分析[J].礦業(yè)研究與開發(fā)，2001，（5）：25.