矸石膏体充填材料力学特性试验

1、Series No. 438December 2012金属矿山总第438 期METAL MINE矸石膏体充填材料力学特性试验*1，2江宁1江兴元1预防控制教育部11( 1.山东科技大学资源与环境; 2.矿山)以淄博矿业岱庄煤矿膏体充填为研究背景，在对煤矸石、粉煤灰等充填材料物化性能研究的基摘 要础上，通过均匀试验得出了膏体充填材料最优配比，同时对养护 28 d 后的膏体材料力学性能进行了系统研究并与所置换的煤的力学性能做了对比分析。研究结果表明膏体充填材料在有围压作用下有较高的残余强度明显塑性强化特征，同时得出膏体材料的内摩擦角和黏结系数;与充填置换的煤的力学性能对比表明膏体材料塑性变形比煤更

2、显著。矸石膏体 物化性能 配比试验 力学特性Study on Mechanical Properties of Coal Waste Paste Filling MaterialsZhang Xinguo1，2 Jiang Ning1 Zhang Yujing1 Jiang Xingyuan1 Zhang Baoliang1( 1. College of Resource and Environmental Engineering，Sh2. Key Laboratory of Ministry of Education for DisastUniversity of Science and T

3、echnology;revention and Control)Abstract Taking paste filling in Daizhuang coal mine of Zibo mining group as the study background，based on the physicochemical properties of gangue，fly ash etc，the uniform experiments concluded the optimal proportion of paste fillingmaterial. Then，studies on mechanica

4、l properties of paste are carried out which is ma ained for 28 d，the contractiveysison mechanical properties betn paste and replacement coal is made. The results showt the filling materials have greaterresidual strength，a clear plastic strengthening characteristics under action of the ambient prere.

5、 Meanwhile，the angle of internal friction and the binding coefficient of the paste material are gained. The plastic characteristic of the paste materials ismore obviousnt of coal through the contrast tests with the mechanical properties of the replaced coal.Keywords Coal waste paste，Physicochemical

6、properties，Proportion experiment，Mechanical properties义13-14。随着我国煤炭资源的日益减少，“三下一上” ( 建筑物下、铁路下、水体下和承压水上) 压煤开采充填材料选择煤矸石试验矸石为取自淄博矿业岱庄煤矿矸石11. 1目前已成为我国尤其是中东部煤炭企业的主要技术难题1-6。膏体充填技术作为“绿色开采”体系的重要组成部分，是解决“三下一上”压煤开采的理想途径7-12。膏体充填开采技术体系主要由 3 部分组成12:充填材料、充填工艺系统、采动覆岩控制理山、经过现场二次细碎的矸石。在分试验，得到矸石粒级分布如表 1 所示。进行了筛筛分试验表明

7、，试验矸石绝大部分粒度介于mm，仅极个别粒度达到 + 20mm，5 250. 1 15. 2论。其中，充填材料是膏体充填技术的，充填材mm 占 37. 93% ，小于 5 mm 部分占 61. 04% ，基本符料的优劣、成本高低对地表沉陷的控制效果及应用起着决定性作用。目前，国内外对膏体材料的力学mm，合膏体充填材料中煤矸石最大粒度25性能试验尚未形成的标准。由于膏体充填材料所用胶结料较少，一般为总质量的 5% 10% 左右，在采场中所起的作用与“固结土”类似，属于极“软弱”类岩石材料，因此，系统研究充填材料的力学性能，尤其是在三轴作用下的力学特性对充填材料配比选择及成本控制具有重要的理论和现

8、实意 国家自然科学基金项目(:50874070 ) ，山东省自然科学基金*项目(:Y2008F01 ) ，山东省高等学校科技计划项目(:J11LE14) ，山东科 技大学 YCA120306)。创新 基 金 项 目 (1976) ，男，讲师，博士，266590 山东省青岛市经济技术开发区前湾港路 579 号。127总第 438 期金属矿山表 1 矸石粒度分布5 mm 部分的比例要达到 40% 左右的要求15-16。运用 X 射线衍射仪对矸石成分进行分析，结果表明矸石主要由石英、长石、高岭石等矿物组成，遇水膨胀性强，易于泥化的伊利石、蒙脱石等矿物含量较少，比较容易破碎，作为矸石充填材料骨料性能较

9、好，建议加强冬雨天矸石的分析图谱如图 1 所示。工作。X 射线衍射图 3 粉煤灰扫描电镜分析体充填工艺及生产的需要，控制膏体初凝时间为 34 h，终凝时间为 6 8 h，由于煤矿膏体充填管道一般相对较长，采用有早强作用的胶结料有一定安全风险，浓度控制不好容易堵塞管道，因此选用普通的水泥作为胶结料。配比试验设计17-18根据岱庄煤矿的生产实际，试验采用均匀设计法19。粉煤灰与水泥质量之比范围取 2 8，煤矸石与水泥质量之比的范围取 4 10，质量浓度取 72% 78% 。试验采用混合水平进行设计，煤矸石与水泥的比值取 7 个水平，粉煤灰与水泥比值取 7个水平，质量浓度取 4 个水平，共做 28

10、次试验，膏体材料配比试验方案如表 2 所示。2图 1 X 射线衍射分析图谱Q 石英( 多);K 高岭石( 多);F 长石;I 伊利石;CI 绿泥石;I / M伊蒙混层;M 蒙脱石( 少); ;S菱铁矿;D白云石( 少);O其他( 少)C1. 2粉煤灰试验结果分析试验测定了膏体塌落度、分层度、泌水率、凝结时间和各龄期的单轴抗压强度，试验结果见表 3。为了保证膏体良好的管道输送性能，塌落度应当 18 cm，可以发现 P03、P04、P07、P08、P11、P12、P20、 P28 不符合要求;膏体的分层度应 2 cm，可以发现 P01、P02、P05、P06、P09、P13、P14、P21 不满足

11、要求。根据膏体充填采矿生产要求，膏体需要一定的早期抗压强度0. 1 MPa，则 P15、P16、P17、P18、P19、P20、P22、P23、P24、P25、P16、3试验粉煤灰取自岱庄煤矿电厂，对其进行了粒度及电镜分析。分析结果表明粉煤灰颗粒粗，含碳量较高，球状玻璃微珠量少，蜂窝状或块状颗粒较多，对管道润滑作用一般。激光粒度分析和扫描电镜分析结果如图 2、图 3 所示。强度，一般要求为 8h P27、P28 均达不到要求。从上面 3综合分析可知，配比 P10 基本能满足塌落度、分层度和抗压强度的工程要求。因此，配比 P10 可作为本系试验的最优配比，即水泥、粉煤灰、煤矸石的质量比为 1 4

12、 6，质量浓度为 74% 。图 2 粉煤灰激光粒度分析结果1. 3胶结料胶结料为普通 32. 5 硅酸盐水泥。一般根据膏128粒级/ mm含量/% 粒级/ mm含量/%+ 251. 0325 200 6220 162 6816 15 23 7415 2 9 59 829 5 521 075 129. 541 0 215 150 2 0 19 170 1 0 0752 800 0754 38合计100. 00等: 矸石膏体充填材料力学特性试验表 2 膏体配比设计方案表 3 膏体基本性能试验结果凝结时间各龄期单轴抗压影 响取 值塌落 分层 泌水试验/ h强度/ MPa试验号度度率粉煤灰与水泥质量比

13、煤矸石与水泥质量比质量浓度/%号/ cm/ cm/%初凝 终凝8 h1 d28 dP01P02 P03 P04 P05 P06 P07 P08 P09 P10 P11 P12 P13 P14 P15 P16 P17 P18 P19 P20 P21 P22 P23 P24 P25 P26 P27 P2821. 419. 2 14 921. 318. 7 1213. 723. 3 2114. 5 9 2319. 823. 818. 126. 421. 518. 313. 923. 126. 325. 1 2327. 8 2619. 315. 13. 42. 31. 51. 23. 62. 720.

14、 92. 51. 31. 413. 22. 21. 10. 41. 50. 71. 30. 73. 10. 10. 70. 30. 70. 31. 20. 62. 272. 212. 182. 073. 152. 552. 571. 091. 891. 771. 581. 632. 312. 271. 041. 071. 791. 61. 361. 382. 151. 131. 010. 911. 761. 581. 31. 176. 88. 777. 310. 4 1110. 6 6. 7 7. 2 699. 612117. 58. 511. 510. 7 11 10 14 10 9. 5

15、9. 7 1213. 112. 211. 78. 310. 6 8. 8 9. 112. 613. 313. 1 8. 6 9. 1 8. 110. 811. 614. 613. 1 9. 110. 413. 613. 113. 212. 115. 611. 811. 311. 513. 815. 114. 113. 60. 1540. 1300. 2030. 1570. 0700. 0630. 0540. 1340. 1170. 1750. 1130. 1140. 0930. 0970. 1130. 1010. 0990. 0960. 0830. 0690. 0740. 0870. 0620

16、. 0540. 0160. 0230. 0370. 0520. 3310. 3040. 2790. 2510. 1010. 0940. 0870. 2830. 1850. 2270. 1530. 1450. 1140. 1150. 1420. 1370. 1290. 1240. 1130. 1070. 1050. 1160. 0910. 0870. 0670. 0790. 0870. 0924. 894. 193. 793. 613. 453. 143. 093. 6863. 4683. 33. 383. 1343. 092. 913. 4863. 672. 72. 942. 452. 071

17、. 982. 342. 182. 42. 332. 512. 432. 87P012472P02P0322567476P04P05 P06233789787274P07P08331047678P09P1044567274P114776P12P1345897872P14165578P17P1866677274P19P2066897678P21P22 P237771045727476P24P2578677872P26P27 P2888889107476784膏体材料力学性能试验选用配比 P10、在恒温恒湿养护箱养护 28 d 后图 4 拉伸破坏后的部分试件的膏体制成标准进

18、行试验。试验在山东科技大学矿山预防控制国家MTS815. 03岩石伺服试验系统上进行。拉伸试验作为一种人工制造的“极软弱”类岩石材料，抗拉强度研究是其力学性能的重要指标之一。充填后材料作为地层的一部分，在受上覆岩层载荷时首先发生拉伸破坏，这一点对采空区充填及覆岩地表控制有着重要意义。试验按岩石试样标准进行，采用巴西圆盘法间接拉伸，部分破坏后的试件如图 4 所示，试验结果如图 5 和表 4 所示。4. 1图 5 膏体试件拉伸曲线1# 试样;2 2# 试样;3 3# 试样;4 4# 试样;15# 试样;6 6# 试样;7 7# 试样5129总第 438 期金属矿山表 4 拉伸试验结果从图 7 可知

19、，膏体试件破坏载荷为 7. 73kN，平均为 8. 72 kN;强度极限为 4. 25 5. 7010. 30试件直 径/ mm高度 / mm最大拉力/ kN抗拉强度/ MPaMPa，平均为 4. 81 MPa，强度比理论设计预想偏高( 理论 28设计值 2 MPa ); 普氏系数为 0. 42dL1L2 L3 L4 L5 L6L748 0447 8648 1448 2248 1847 9447 8828 3431 0620 0431 2619 4625 8230 341 3561 3371 6691 5361 3451 7571 1760 634 070 572 5821 101 3690

20、648 7170 913 2570 903 6450 515 3680. 57，平均为 0. 48;弹性模量为 752 1 110 MPa，平均为 971 MPa，弹性模量较小; 泊松比为0. 01 0. 04，平均为 0. 03。由单轴压缩全应力 应变曲线知，膏体充填材料表现为明显的塑性破坏。三轴压缩试验为了研究膏体材料在地层中的三向受力变形性能，得出其在不同围压下的抗压强度、残余强度及黏聚力、内摩擦角等值，在 MTS815 岩石伺服试验系统上进行了围压为1、3 MPa 的常规三轴压缩试验。由图 8、图 9 围压 1 MPa 和 3 MPa 全应力 应变曲线可知，膏体材料在一定的围压下随着荷

21、载的增加呈现出良好的弹塑性状态;在加载后期，塑性变形特征表现极其明显。围压为 1MPa 时，膏体材料的三轴强度极限为 9. 54 10. 00 MPa，平均强度为4. 3由图 5 可以看出，膏体试件的抗拉强度峰值离散性较小，各试件抗拉强度较小，基本在 0. 521. 10 MPa 之间，平均为 0. 75 MPa，且在达到峰值后迅速破坏，基本没有残余抗拉强度，属于非常典型的不抗拉材料，在采空区极易受上覆岩层荷载而发生拉伸破坏。4. 2 单轴压缩试验岩石抗压强度是指岩石在单轴压力作用下达到破坏的极限强度，在数值上等于破坏时的最大压应力，进行单轴压缩试验的目的是了解膏体材料承受应力和变形情况。试验

22、加载方式采用位移控制，峰前加载速度采用 0. 1 mm / s，峰后加载速度采用 0. 2MPa; 残余强度为 9. 24MPa，平均为9. 799. 39 9. 47MPa。围压为 3 MPa 时，膏体材料三轴强度极限为 16. 85 19. 55 MPa，平均为 18. 44 MPa;残余强度为 16. 83 19. 54 MPa，平均为 18. 40 MPa，膏体在，矸石膏体全应mm / s。图 6 为部分试件破坏后力 应变曲线如图 7 所示。三向受力条件下明显的塑性强化特征。图 8 围压 1 MPa 全应力 应变曲线1 1# 试样;2 2# 试样;3 3# 试样图 6 压缩破坏后部分试

23、件图 9 围压 3 MPa 全应力 应变曲线图 7 单轴压缩全应力 应变曲线1 1# 试样;2 2# 试样;3 3# 试样;4 4 # 试样;5 5# 试样1 1 试样;22 试样;33 试样;4 4 试样#根据膏体材料三轴压缩试验结果，得出膏体材130等: 矸石膏体充填材料力学特性试验料线性回归方程为1 3+ 3. 513 ，= 5. 0线性相关系数 = 0. 997 9，回归曲线如图 10 所示。图 11 煤样单轴压缩全应力 应变曲线虚线1# 煤样;细实线 2# 煤样;粗实线 3# 煤样图 10 膏体 1 3 线性回归直线试验曲线;回归曲线根据应力圆关系可导出 、C 的计算公式:= 2ta

24、n1+ 1 90，槡tank(1 sin)2cosC =.经计算知膏体材料黏聚力 C 为 1. 18 MPa，内摩擦角 为 39. 58。图 12煤样围压 1、3 MPa 全应力 应变曲线虚线 3 MPa;实线 1 MPa膏体材料与煤力学特性对比由于用膏体材料来置换建( 构) 筑物下的煤，因此需要对膏体充填材料和所置换的煤的力学性能做一个对比分析。本次试验煤样取自岱庄煤矿 2351膏体充填工作面，其中拉伸试验用 4 块，单轴压缩试验用 3 块，三轴压缩试验用 2 块。表 5 为煤样拉伸试验结果，图 11 为煤样单轴压缩全应力 应变曲线，图 12 为不同围压煤样三轴压缩全应力 应变曲线。由表 5

25、、图 11 和图 12 可知，膏体材料与煤一样，都属于典型的抗压不抗拉材料，在抗拉方面相差不大;单轴压缩试验表明，在塑性变形方面膏体材料比煤表现得更突出，即存在一定的可压缩性，强度相差较大;不同围岩三轴压缩试验表明，随着荷载的增加，膏体材料强度缓慢增长，破坏特征不显著，变形量大，在受荷载后强度增加缓慢，力学特性与所在地层的煤相比有较大差距，但只要保证压缩到一定程度变形不再增加，仍能起到和煤一样的支撑效果。5结论6(1) 运用均匀试验法得到了膏体充填最优配比为水泥、粉煤灰、矸石的质量比为 1 4 6，质量浓度为 74% 。(2) 对最优配比的膏体材料的力学性能进行了研究，通过单轴拉伸和压缩试验，

26、其抗拉强度和单轴抗压强度离散型较小，并且残余抗拉强度很小，但是残余抗拉强度较大，弹性模量较小，泊松比很小，约为煤的 1 /9;矸石膏体压缩率大10% 左右;三轴试验表明，膏体即使在较低围压下，也表现出明显的塑性强化特征，可以利用这个特性适当降低充填体强度，达到降低充填成本的目的。(3) 膏体材料与所置换的煤的性能对比表明，膏体材料比煤呈现出更理想的塑性特征，在不同围压下随着荷载的增加强度增长缓慢。参 考 文 献1清，杨业大学伦，1991.姊. 矿山开采沉陷学M. 徐州:中国矿表 5煤样拉伸试验结果2，等 . 建筑物下采煤M.:煤炭直 径/ mm厚 度/ mm最大拉力/ kN抗拉强度/ MPa试

27、件工业，1983.1#2#3#4#49. 0049. 0048. 9048. 5016. 7817. 6622. 0023. 082. 940. 591. 011. 951. 650. 693吴立新，刘，等 . 建( 构) 筑物下采煤条带开采理论与实践M. 徐州:中国矿业大学，1994.0. 741. 16我国三下压煤及开采中若干问题浅析4.“”( 下转第 135 页)J. 煤炭经济研究，2004(5) :26 27.131等: 充填采矿用全尾砂胶结材料流变特性研究(4) 灰砂比为 1 15 的全尾砂砂浆。由图 4 可以看出，剪切力与剪切速率为线性递增关系，为不通过原点的直线，表明砂浆存在初始

28、剪切力。与灰砂比为 1 12 的全尾砂砂浆对比，发现 1 15 和 1 12 两种灰砂比的全尾砂砂浆的流变特性具有很大的相似性，其下限浓度仍为 72% 。浓度料浆，从而确保高浓度料浆的安全、大流量和经济输送。参 考 文 献1 充填胶凝材料的发展与应用J 黄金学报，2008，29 (1): 25 29 全尾砂高浓度充填料浆的流变特性J 沈阳黄金学院学报，1995，42:143 147，王 虎，等 矿山废石全尾砂充填研究现状与发展趋势J 中国矿业，2011，20(9) :76 792结论3(1) 料浆浓度和灰对流变参数有显著性影3响，根据砂浆塌落度、稠度和泌水率与灰砂比和料浆浓度的函数关系，可优化

29、配制高浓度料浆。根据工程应用经验，塌坍度为 25 cm 时对应的料浆浓度可视为料浆实现安全自流输送的上限浓度，试验表明此时胶结充填料浆具有良好的水力输送性。本试验中灰砂比为 1 8 的配比中浓度为 70% 时塌落度达到 25. 1 cm，保水性能良好，能够减少大量泌水的不良现象，提高料浆的稳定性，有利于提高水泥全尾砂料浆在管道中的输送能力。料浆存在的初始剪切应力与剪切速率为线性递增关系，随着灰砂比的降低，全尾砂浆的高浓度下限值须从 70% 提高到 72% ，才能够形成均质的高4，盛 佳金矿全尾砂胶结充填材料配比试验研究J 采矿技术，2010，10(2) :17 18 尾砂充填料流变特性和高浓度料浆输送性能研究5R 长沙:长沙矿山，20116 近代回归分析原理方法及应用M 合肥:，1987 高浓度浆体流变参数测定的新方法J 中国教育7矿业大学学报，2001，30(4) :371 373 全尾砂高