吳生海，宋 玲，姚亞峰,3

(1.南通職業(yè)大學(xué)，江蘇 南通 226007； 2.河海大學(xué) 力學(xué)與材料實驗中心，江蘇 南京 210000；3.安徽建筑大學(xué)，安徽 合肥 230000)

隨著我國礦產(chǎn)資源開采深度的增加，在深井開采過程中因受到高地應(yīng)力、高井溫及開采擾動等因素影響，井下圍巖體穩(wěn)定性差，易引發(fā)安全事故。如何高效、安全地回采深井礦產(chǎn)資源成為當(dāng)下國內(nèi)外諸多礦山企業(yè)最為關(guān)注的問題[1-2]。充填采礦法作為一種高效且能保障井下礦產(chǎn)資源安全回采的方法，受到廣泛應(yīng)用。因此，充填體的力學(xué)性能成為備受國內(nèi)礦山科技工作者關(guān)注的研究熱點[3]。膠結(jié)充填體主要是由骨料、水泥及水混合配制而成，其力學(xué)性能受眾多因素的影響，如外加劑、骨料級配和膠凝材料的含量等[4-5]。針對膠結(jié)充填體，學(xué)者們開展了其力學(xué)性能及相關(guān)影響因素的研究，研究成果解決了許多工程實際問題[6-18]。

筆者制備的聚丙烯纖維、玻璃纖維及礦渣充填體，經(jīng)濟環(huán)保且性能穩(wěn)定，符合綠色安全礦山開采理念。為研究聚丙烯纖維、玻璃纖維及礦渣含量對充填體力學(xué)性能的影響，設(shè)計了包含聚丙烯纖維含量、玻璃纖維含量及礦渣含量的三因素四水平的正交試驗，開展聚丙烯纖維、玻璃纖維及礦渣充填體坍落度、抗壓強度及劈裂抗拉強度試驗，并建立多因素耦合作用下的聚丙烯纖維、玻璃纖維及礦渣充填體強度模型，分析各因素對充填體抗壓、抗拉強度的影響規(guī)律，以期為該礦山充填材料參數(shù)設(shè)計提供指導(dǎo)。

1 試驗概述

1.1 試驗材料

試驗采用的分級尾砂料漿取自金川二礦區(qū)，將料漿曬干后裝袋備用；聚丙烯纖維和玻璃纖維的長度均為3 mm，如圖1所示；采用水泥(標(biāo)號P.C32.5)作為膠凝材料。當(dāng)摻入的聚丙烯纖維質(zhì)量為水泥和尾砂質(zhì)量總和的0.25%～0.75%時，聚丙烯纖維能夠提高尾砂膠結(jié)充填體的抗壓強度，因此本次試驗中，纖維的摻入質(zhì)量(以下簡稱“纖維摻量”)為尾砂和水泥總質(zhì)量的0.2%～0.8%[19]。

圖1 試驗采用的纖維外觀

1.2 試驗設(shè)計

筆者開展正交試驗對聚丙烯纖維、玻璃纖維及礦渣充填體力學(xué)及流動性能進行研究，以制備出具有良好力學(xué)性能的尾砂膠結(jié)充填體。本次試驗結(jié)合該礦山現(xiàn)場工作經(jīng)驗設(shè)定灰砂比為1∶4，充填體中物料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)根據(jù)前期探索試驗設(shè)定為78%，礦渣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%～16%。其中，礦渣添加方式為等質(zhì)量替代部分水泥。試驗因素和水平為三因素四水平，3個因素分別為聚丙烯纖維(A)、玻璃纖維(B)及礦渣(C)，各因素、水平具體取值如表1所示。

表1 正交試驗因素與水平設(shè)置

根據(jù)表1制備不同質(zhì)量比例纖維、礦渣的試樣。采用直徑50 mm、高分別為100 mm和50 mm的2種圓柱形塑料模具裝填充填料漿。待料漿初凝后慢慢刮平表面，24 h后進行脫模處理。將充填體試樣放置于養(yǎng)護箱進行養(yǎng)護，養(yǎng)護溫度、濕度分別為 20 ℃、93%。當(dāng)在養(yǎng)護齡期達到規(guī)定的 3、7、28 d后參照GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》對充填體進行單軸抗壓強度和劈裂抗拉試驗。進行劈裂抗拉強度的試樣為直徑50 mm、高度50 mm的圓柱體試樣。

在統(tǒng)計學(xué)中常用極差和方差刻畫數(shù)據(jù)的離散程度，因此，可以將其作為表征不同的因素對充填體特性的顯著性量化標(biāo)準(zhǔn)。故選用極差和方差來對試驗結(jié)果進行分析。

2 試驗方法

2.1 坍落度測試

在研究纖維種類、含量及礦渣含量對尾礦膠結(jié)填料力學(xué)性能的影響之前，另一個重要任務(wù)是分析纖維和礦渣對尾砂膠結(jié)充填體流動性的影響。利用標(biāo)準(zhǔn)坍落度儀器對試樣流動性進行測試。

2.2 抗壓、抗拉強度測試

試驗設(shè)備采用WEW-600D型微機屏顯示液壓萬能試驗機(最大負荷 600 kN、精度為±1%、分辨率 0.1 kN)，對纖維增強充填體試樣進行單軸抗壓、抗拉強度測試。尾砂膠結(jié)充填體單軸抗壓強度測試采用直徑50 mm、高度100 mm的圓柱體試樣進行；充填體的單軸抗拉強度測試采用直徑50 mm、高度50 mm的圓柱體試樣。

試件加載前先用砂紙進行輕微打磨，使尾砂膠結(jié)充填體上下面光滑平整。單軸抗壓與抗拉試驗加載方式采用位移控制，每種養(yǎng)護齡期下測試3個試塊，取其平均值作為抗壓、抗拉強度測試數(shù)據(jù)。

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 試驗測試結(jié)果

當(dāng)所制備的聚丙烯纖維、玻璃纖維及礦渣充填體達到設(shè)計齡期后進行抗壓強度、抗拉強度測試，結(jié)果如表2所示。其中0號組試樣表示的是未添加纖維和礦渣的對照組。此外，為研究聚丙烯纖維(A)、玻璃纖維(B)及礦渣(C)對聚丙烯纖維、玻璃纖維及礦渣充填體力學(xué)性能的影響程度，且得到顯著性影響因素，采用統(tǒng)計分析軟件 SPSS 進行極差和方差分析，分析結(jié)果見表3、表4。

表2 聚丙烯纖維、玻璃纖維及礦渣充填體的力學(xué)性能測試結(jié)果

表3 極差分析結(jié)果

表4 方差分析結(jié)果

3.2 聚丙烯纖維、玻璃纖維及礦渣充填體的坍落度

不同纖維和礦渣摻量下充填體坍落度的變化測試結(jié)果如圖2所示。

(a)纖維摻量對坍落度的影響

由圖2可以看出，隨著礦渣和纖維含量的增加，棄填體坍落度不斷變小，表明三因素弱化了料漿的流動性能。對比纖維及礦渣摻入量的增加對料漿流動性的影響，可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)聚丙烯纖維和玻璃纖維摻量從0.1%增加至0.6%時，充填體的坍落度分別降低了36.4%和 27.3%；當(dāng)?shù)V渣質(zhì)量分?jǐn)?shù)從4%增加至16%時，充填體的坍落度只降低了11.5%，說明礦渣的摻入對尾砂料漿坍落度的影響低于添加聚丙烯或玻璃纖維的影響。

聚丙烯纖維和玻璃纖維對料漿流動性能產(chǎn)生影響的原因在于纖維分散在料漿中相互搭接形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，減弱了尾砂顆粒的滑移流動作用，故料漿的流動度呈現(xiàn)出減小的趨勢[20]。由表3中極差分析結(jié)果可知，三因素對尾砂充填料漿坍落度的影響程度為聚丙烯纖維>玻璃纖維>礦渣。同時，根據(jù)表4中方差分析結(jié)果可知，三因素的顯著性水平P值均遠小于0.05，說明聚丙烯纖維、玻璃纖維及礦渣均為尾砂充填料漿坍落度的顯著性影響因素。

3.3 聚丙烯纖維、玻璃纖維及礦渣充填體的抗壓強度

不同纖維和礦渣摻量下充填體抗壓強度的變化測試結(jié)果如圖3所示。

(a)聚丙烯纖維摻量對抗壓強度的影響

由圖3可以看出，添加了聚丙烯纖維、玻璃纖維和礦渣的充填體抗壓強度明顯高于未添加的充填體抗壓強度，說明加入適量纖維和礦渣能夠改善尾砂膠結(jié)充填體的力學(xué)性能。

由圖3(a)可知，當(dāng)聚丙烯纖維摻量從0.1%增加至0.6%時，充填體3、7、28 d的抗壓強度分別提高了20.7%、-2.3%、2.4%；當(dāng)玻璃纖維摻量從0.1%增加至0.6%時，充填體3、7、28 d的抗壓強度分別提高了12.0%、6.3%、4.6%。因此，添加聚丙烯纖維或玻璃纖維能夠顯著提高充填體的早期強度。這是因為膠凝材料在養(yǎng)護早期的水泥水化反應(yīng)并不完全，水化反應(yīng)產(chǎn)生的C-S-H等凝膠物質(zhì)并不充分，此時纖維的物理加固作用對充填體的承載能力起到關(guān)鍵的作用。因此，纖維摻量的增加更有利于提高尾砂膠結(jié)充填體的早期強度[21]。但是在養(yǎng)護后期，隨著水泥水化反應(yīng)過程趨于完全，纖維摻量的增加容易出現(xiàn)纖維纏繞成團的現(xiàn)象，導(dǎo)致充填體在受到加載時容易產(chǎn)生應(yīng)力集中的現(xiàn)象。因此在養(yǎng)護后期，聚丙烯纖維和玻璃纖維對充填體抗壓強度的改善效果并不明顯[22]。

由圖3(c)可知，當(dāng)?shù)V渣質(zhì)量分?jǐn)?shù)從4%提高至16%時，充填體3、7、28 d的抗壓強度分別提高了14.2%、-0.7%、3.9%，可以看出礦渣含量的增加同增加纖維對充填體抗壓強度的改善效果類似。

此外，由表3中極差分析結(jié)果可知，在養(yǎng)護齡期為3 d時，三因素對尾砂膠結(jié)充填體的抗壓強度影響程度為聚丙烯纖維>玻璃纖維>礦渣；在養(yǎng)護齡期為7 d時，三因素對尾砂膠結(jié)充填體的抗壓強度影響程度為礦渣>玻璃纖維>聚丙烯纖維；在養(yǎng)護齡期為28 d時，三因素對尾砂膠結(jié)充填體的抗壓強度影響程度大小為礦渣>玻璃纖維>聚丙烯纖維。

同時，結(jié)合表4中方差分析結(jié)果可知，當(dāng)養(yǎng)護齡期為3、28 d時，三因素的顯著性水平P值均遠小于0.05，說明聚丙烯纖維、玻璃纖維及礦渣均為充填體3 d及28 d抗壓強度的顯著性影響因素；當(dāng)養(yǎng)護齡期為7 d時，玻璃纖維和礦渣的顯著性水平P值均小于0.05，說明玻璃纖維和礦渣均為充填體7 d抗壓強度的顯著性影響因素，而聚丙烯纖維不是充填體7 d抗壓強度的顯著性影響因素。

3.4 聚丙烯纖維、玻璃纖維及礦渣充填體的抗拉強度

不同纖維摻量和不同礦渣質(zhì)量分?jǐn)?shù)下充填體抗拉強度的變化測試結(jié)果如圖4所示。

(a)聚丙烯纖維摻量對抗拉強度的影響

由圖4可以看出，添加了聚丙烯纖維、玻璃纖維和礦渣的充填體抗拉強度明顯高于未添加的充填體抗拉強度，說明添加一定量的纖維和礦渣能夠提高充填體的抗拉強度。當(dāng)聚丙烯纖維摻量從0.1%增加至0.6%時，抗拉強度增加10.5%；當(dāng)玻璃纖維摻量從0.1%增加至0.6%時，抗拉強度增加了5.3%；當(dāng)?shù)V渣質(zhì)量分?jǐn)?shù)從4%增加至16%時，充填體的抗拉強度僅提高了0.96%，說明摻入礦渣對充填體抗拉強度的提高不如添加聚丙烯纖維或玻璃纖維明顯。

此外，由表3中極差結(jié)果可知，三因素對尾砂膠結(jié)充填體抗拉強度的影響程度為聚丙烯纖維>玻璃纖維>礦渣。同時，根據(jù)表4中方差分析結(jié)果可知，聚丙烯纖維的顯著性水平P值小于0.05，說明聚丙烯纖維為充填體抗拉強度的顯著性影響因素，而玻璃纖維和礦渣均不是抗拉強度的顯著性影響因素。

4 結(jié)論

1)充填體的坍落度均隨著聚丙烯纖維、玻璃纖維及礦渣含量的增加而不斷降低，并且三因素對尾砂充填料漿坍落度的影響程度大小為聚丙烯纖維>玻璃纖維>礦渣。此外，由方差分析結(jié)果可知，聚丙烯纖維、玻璃纖維及礦渣均為尾砂充填料漿坍落度的顯著性影響因素。

2)在不同的養(yǎng)護齡期內(nèi)，聚丙烯纖維、玻璃纖維及礦渣對充填體抗壓強度的影響并不一致。養(yǎng)護齡期為3 d時，三因素對尾砂膠結(jié)充填體的抗壓強度影響程度為聚丙烯纖維>玻璃纖維>礦渣；在養(yǎng)護齡期為7、28 d時，三因素對尾砂膠結(jié)充填體的抗壓強度影響程度為礦渣>玻璃纖維>聚丙烯纖維。此外，聚丙烯纖維、玻璃纖維及礦渣均為充填體3、28 d抗壓強度的顯著性影響因素。

3)添加一定量的纖維和礦渣也能夠有效提高充填體的抗拉強度，但礦渣的摻入對抗拉強度的提高不如摻入聚丙烯纖維和玻璃纖維明顯。此外，由極差分析結(jié)果可知，三因素對尾砂膠結(jié)充填體抗拉強度的影響程度為聚丙烯纖維>玻璃纖維>礦渣；聚丙烯纖維為充填體抗拉強度的顯著性影響因素，而玻璃纖維和礦渣均不是抗拉強度的顯著性影響因素。