復(fù)采區(qū)煤矸石充填材料力學(xué)特性研究

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(jìn)行養(yǎng)護。對取自施工現(xiàn)場的材料進(jìn)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(xué)特性

中圖分類號：TB

文獻(xiàn)標(biāo)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(zhǔn)確判斷，但通過對工作面推進(jìn)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(jìn)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(xué)特性參數(shù)。根據(jù)全應(yīng)力-應(yīng)變曲線與材料力學(xué)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(xué)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(dá)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(dǎo)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(jìn)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(jìn)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(biāo)準(zhǔn)《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(xué)力學(xué)實驗室TAWD-2000巖石伺服三軸、剪切（蠕變）壓力試驗機進(jìn)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(dá)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(jìn)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(jìn)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。

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