复采区煤矸石充填材料力学特性研究

王宇侯泽宇李星仪

摘 要：

设计不同配比材料强度测试方案。以煤矸石为原料根据试验设计的配比，按照国家相关规范要求，添加高水材料制作速凝固化充填材料试样，并进行养护。对取自施工现场的材料进行抗压和劈裂抗拉强度试验，实验研究表明，所采用的充填材料强度满足设计要求。

关键词：

煤矸石；配比试验；力学特性

中图分类号：TB

文献标识码：A

doi：10.19311/j.cnki.16723198.2016.10.092

1 引言

焦煤是我国的优质煤种资源，属世界稀缺煤种。随着我国煤炭资源的日益减少，建筑物下、铁路下、水体下和承压水上的压煤开采目前已成为我国煤炭企业面临的主要技术难题。真实的回采区巷道分布难以准确判断，但通过对工作面推进过程中矸石冒落带的形状、分布和注浆过程中的观察，推测一串互相连通的巷道顶板垮落是形成采空区的主要原因。

复采利用是指在老矿井、老水平、老采区、老工作面等，由于地质、采矿、管理技术以及时间变化等原因造成上述地区遗留煤炭，对这些遗留煤炭重新开采利用的过程就叫复采利用。充填复采是采用泵送注浆的方式充填采空区，保证工作面按照正常方式推进回采，具有经济、高效、简单、安全等优点，是一种实现安全高采出率开采，深度提高矿井经济效益的技术。根据试验过程中得到的数据，计算材料的弹性模量，剪切模量，泊松比，抗压强度等力学特性参数。根据全应力-应变曲线与材料力学特性，优化材料配比。

2 充填材料选择

虽然小煤窑回采巷道的分布位置难以确定，但是通过观察可推测大面积的采空区是一串互相连通的巷道顶板垮落后形成的，此类问题可以使用注浆充填这个方法来解决。

2.1 充填材料要求

根据施工及回采的要求，充填材料应具有以下特性。

（1）材料力学性能必须满足顶板支护的要求，同时强度配比易于调节。

（2）部分材料充填后处在煤机截割范围内，因此应具有可截割性。

（3）井下环境复杂，施工空间受限，所以充填系统应简单易操作。

（4）材料会混入煤炭，且不易水化，具备可洗选性。

（5）材料要易于购买，材料成本需可控。

（6）考虑到需要自流填充，材料需要具有一定流动性。

2.2 充填材料选择

以煤矸石为原料，根据设计的配比方案，按照国家相关规范要求，添加高水材料制作速凝固化充填材料试样。其中高水固结充填体是指利用高水速凝材料与水经搅拌制成的混合料浆，用泵或自流输送到采空区后，凝结成的固化体，具有耐水、速凝、强度可再生等特点。

3 试验方案设计

3.1 材料的抗压强度与抗拉强度

岩石的抗压强度是指在无侧束状态下所能承受的最大压力，强度试验中最主要的便为抗压强度的试验。充填材料的抗压强度是否达到要求，将对回采过程中工作面安全可靠产生重要影响。

抗拉强度即表征材料最大均匀塑性变形的抗力，拉伸试样在承受最大拉应力之前，变形是均匀一致的，但超出之后，金属开始出现缩颈现象，即产生集中变形；为它没有形成脆性材料的均匀的塑性变形，拉伸强度反映了材料的抗断裂性。由于填充材料是可以拉伸和压缩，若材料的拉伸强度小于在采矿影响抗压强度，在采动影响下，充填体可能产生拉破坏而失去承载能力。对材料的抗拉强度研究将对指导掌握回采过程中充填材料支撑能力和选取复采区支护方式起到帮助作用。

3.2 实验方法

3.3 设备描述

微机控制岩石伺服三轴、剪切（蠕变）压力试验机，可以实现岩石单轴、三轴、岩石直剪、岩石三轴（单轴）蠕变、岩石剪切蠕变等多种试验，能够完成在不同围压、测试岩石的弹性参量；全应力—变应力试验，获得峰值强度和残余强度；蠕变试验；松弛试验。

3.4 试样制备

实验材料取自施工现场，用边长为150mm的立方体塑料模具制作成型。分为6组，每组3块，共18块，经振捣密实后静置一昼夜，试件拆模养护龄期为28天之后进行实验。

4 材料配比设计

充填材料试样按照水灰比1～3、煤矸石粒径大小取0（无矸石）、小于20mm、20mm～40mm、40mm～60mm，组成12组进行对比实验，表1为充填材料配比设计方案。

5 实验及结果分析

5.1 实验方法

本实验参照行业标准《SL352-2006水工混凝土试验规程》，立方体试样的单轴压缩试验采用中国矿业大学力学实验室TAWD-2000岩石伺服三轴、剪切（蠕变）压力试验机进行。

5.2 实验结果

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充填材料承受应力和变形情况。实验结果如表2所示。

试验加载方式采用位移控制，峰前加载速度采用0.1mm/s，峰后加载速度采用0.2mm/s。不同配比下充填体的全应力-应变曲线形状基本一致，表现出明显的塑性，且具有相同的规律。

6 结论

充填体压缩损害时有一定的可塑性，这会破坏的过程是缓慢而渐进的，有利于回采的安全挖掘。在特定的地质条件，采高是影响覆岩层破坏状况最重要的因素之一。

经过实验研究，研究中所配比的混凝土充填材料都可以实现注浆充填的功能作用，满足抗拉抗压强度要求，可应用于复采区充填注浆工作。经过多次比选，在可知范围内确定采用水灰比1∶1、矸石粒径小于20mm、质量比为5的充填材料作为复采区充填材料满足全部要求且经济效益高。

参考文献

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