修宗甲

（中國(guó)冶金地質(zhì)總局一局五二〇隊(duì)，河北 邢臺(tái) 054001）

0 前言

煤礦開采時(shí)，尾礦大量堆放，侵占大量的土地并且使礦區(qū)環(huán)境受到極大的破壞，影響地表植被的生長(zhǎng)與發(fā)育；尾礦堆放不穩(wěn)定，容易出現(xiàn)滑塌和潰壩事故[1-2]。我國(guó)存在大量的“三下”壓煤，進(jìn)行開采時(shí)，導(dǎo)致地表沉陷，路基沉降、建筑物墻體開裂等[3]。將尾礦對(duì)采空區(qū)進(jìn)行充填，不僅可以消除尾礦對(duì)環(huán)境的影響，還可以有效地控制地表沉陷問題。關(guān)于充填材料的研究，國(guó)內(nèi)外積累了不少成功的經(jīng)驗(yàn)，如尹裕[4]以高爐水淬渣為主要原料的膠凝材料作為充填材料，馮光明等[5]以新型超高水材料作為充填材料，王朝近等[6]以電廠粉煤灰為主要原料制備充填材料。而關(guān)于尾礦用于充填的研究很少，因此開展尾礦充填研究有很重要的社會(huì)意義。

1 試驗(yàn)方法

為了研究在不同加水量、石灰量下尾礦混和料的應(yīng)變和變形模量的變化規(guī)律，設(shè)計(jì)石灰含量分別為10%、20%、30%的尾礦混和料進(jìn)行試驗(yàn)，尾礦自然含水率為4.73%，每個(gè)配比做3 次平行試驗(yàn)，最終取3 次試驗(yàn)的平均值。配比方案見表1。

表1 尾礦混合料加水配比方案

試驗(yàn)?zāi)＞撸捎玫吞间撝谱饕粌?nèi)徑為220 mm 的圓筒，活塞直徑為220 mm，實(shí)驗(yàn)裝料高度約為170 mm，每組尾礦實(shí)驗(yàn)時(shí)加載應(yīng)力從0 逐漸加載到6 MPa，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)加載速率為0.2 kN/s，儀器軸向活塞最大行程180 mm，試驗(yàn)?zāi)＞呷鐖D1所示。作用于混和料的壓力，軸向位移和形變模量均采用全自動(dòng)數(shù)據(jù)采集器自動(dòng)采集。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系

通過對(duì)不同配比的尾礦混和料進(jìn)行壓實(shí)試驗(yàn)，得到不同影響因素下的材料應(yīng)力應(yīng)變曲線區(qū)間，對(duì)曲線進(jìn)行擬合后的擬合方程見表2，應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖2～圖4 所示。

表2 的結(jié)果表明，在3 種石灰配比情況下，尾礦混和料的應(yīng)力與應(yīng)變之間呈對(duì)數(shù)關(guān)系，即ε=a+bln（σ+c），擬合相關(guān)性好。其中，ε為軸向應(yīng)變；σ為軸向應(yīng)力；a、b、c為回歸系數(shù)。

從圖中可以看出，在混合料在壓實(shí)過程可劃分為3 個(gè)壓實(shí)階段。1）應(yīng)力加載初期，應(yīng)變曲線斜率很大，該階段以散體間隙壓密、顆粒壓實(shí)為主。同時(shí)受水的影響，加水量越大，該區(qū)段的斜率越大，應(yīng)變速率越快。2）應(yīng)力在0.5 MPa～2 MPa，應(yīng)力應(yīng)變曲線斜率較大，同時(shí)，斜率隨著應(yīng)力增大而減小，軸向應(yīng)力與應(yīng)變呈非線性關(guān)系；該區(qū)段混合料為骨架孔隙結(jié)構(gòu)，加載過程中顆粒被壓碎、壓實(shí)，顆粒重組，承載能力進(jìn)一步加強(qiáng)。3）應(yīng)力為2 MPa～6 MPa，應(yīng)變隨著應(yīng)力增大基本呈線性增長(zhǎng)，該階段的尾礦混合料被壓密、壓實(shí)，混合料間隙壓到最低，呈現(xiàn)出骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出彈性體的特征，承載結(jié)構(gòu)變得穩(wěn)定。

表2 應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系

另外，圖2～圖4 的結(jié)果表明：在同一壓力條件下，加水量越大，材料的應(yīng)變率越大，即材料的孔隙率越小，密實(shí)程度越高。

石灰含量為10%條件下，加水量5%與10%的應(yīng)力-應(yīng)變曲線相交；同時(shí)，在石灰含量30%條件下，加水量5%和10%的兩條應(yīng)力應(yīng)變曲線較為接近。表明存在一個(gè)石灰含量與加水量的最優(yōu)配比關(guān)系，可以充分發(fā)揮石灰的固化功能。

2.2 應(yīng)力與變形模量的關(guān)系

經(jīng)過對(duì)不同配比的尾礦混和料進(jìn)行壓實(shí)試驗(yàn)，將得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并對(duì)應(yīng)力-變形模量關(guān)系進(jìn)行回歸分析。得到的擬合方程及相關(guān)系數(shù)見表3，應(yīng)力-變形模量曲線如圖5～圖7 所示。

圖2 石灰含量為10%的尾礦混和料的應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖3 石灰含量為20%的尾礦混和料的應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系曲線

圖4 石灰含量為30%的尾礦混和料的應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系曲線

表3 應(yīng)力與變形模量的關(guān)系

圖5 石灰含量為10%的尾礦混和料的應(yīng)力與變形模量關(guān)系曲線

圖6 石灰含量為20%的尾礦混和料的應(yīng)力與變形模量關(guān)系曲線

圖7 石灰含量為30%的尾礦混和料的應(yīng)力與變形模量關(guān)系曲線

該文得到的變形模量公式為Es=aσ+b，其中a、b為常數(shù)。b反應(yīng)了材料加載的第一階段，材料固體顆粒間隙壓密、壓實(shí)階段的參數(shù)，反應(yīng)了制樣過程中材料的孔隙程度；而a可以看做是材料對(duì)正常承載壓力條件下的關(guān)系系數(shù)，包括彈性形變、壓縮形變等，整體來(lái)看，a 值基本隨著含水率的增加而減小。

從圖5～圖7 中可以看出：混和料在壓實(shí)過程中，變形模量隨應(yīng)力的增加而增大。在同等應(yīng)力狀態(tài)下，隨著水量的增加，呈降低趨勢(shì)，表明水對(duì)尾礦混合料有軟化作用，初試含水率下尾礦混和料顆粒強(qiáng)度相對(duì)較高，壓力條件下不易發(fā)生破壞，因此表現(xiàn)出尾礦變形模量較大，充填后，初期有利于減緩地表沉陷。當(dāng)不加水時(shí)，尾礦混合料的變形模量隨著石灰含量的增大而增加。而加入水后，石灰含量的變化對(duì)材料變形模量的影響較小，基本可以忽略。

3 結(jié)論

通過試驗(yàn)研究，得出以下3 個(gè)結(jié)論。1）尾礦混和料的應(yīng)力與應(yīng)變呈對(duì)數(shù)關(guān)系。加水量對(duì)材料應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系有較大影響，加水量越多，應(yīng)變?cè)酱螅砻魉畷?huì)加速混合料的變形，在力作用下回加快混合料的密實(shí)速率。2）尾礦混和料的應(yīng)力與變形模量呈線性關(guān)系。在一定情況下，水對(duì)尾礦本體有一定軟化功能，影響尾礦自身的強(qiáng)度，加水量越多，變形模量越小。3）尾礦混合料壓實(shí)過程中3 個(gè)不同的階段，即從懸浮結(jié)構(gòu)到骨架孔隙結(jié)構(gòu)，再到骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)發(fā)展，變形模量逐漸增大。