基于最佳级配的矸石胶结充填体变形和破坏特征试验研究

李新旺，赵新元，程立朝，秦义岭

（1.河北工程大学 矿业与测绘工程学院，河北 邯郸056038；2.河北工程大学 河北省高校煤炭资源开发与建设应用技术研发中心，河北 邯郸056038）

矸石材料直接充填入采空区，如果不添加胶凝材料，会形成1 种松散的堆积体，其稳定性和抗压能力不佳，对限制上覆岩层的运移下沉作用有限[1-3]。在煤矿实际生产中，以矸石为骨料并掺入适量的辅料和胶凝材料的充填方法借鉴了金属矿山领域的胶结充填方法，主要应用于采空区充填甚至沿空留巷巷旁支护，取得了良好的充填效果[4-8]。

充填体抗压变形规律和破坏特征是矿山胶结充填开采技术研究的重要内容，为实际充填过程中的充填材料优化、充填体稳定性的分析以及岩体工程灾害的预防治理提供重要依据，是实现井下安全高效绿色开采的关键[9-12]。目前专家学者们主要对各种岩石试件[13-14]、废石尾砂充填体[15-16]、混凝土[17-18]、充填膏体[19]等材料进行了单轴压缩试验，对其抗压性能和破坏形式等力学性质也进行了研究，然而鲜有对不加辅料的矸石在最佳级配条件下与水泥混合形成的胶结充填体进行抗压强度、变形特性以及破坏特征方面的研究。为此通过对不同泰波系数下的连续级配矸石进行压缩，找到矸石的最佳级配，并掺入常见的胶结材料-水泥，研究矸石胶结充填体在一定养护龄期下的强度和变形特性以及充填体试件破坏形态，为井下矸石胶结充填开采应用提供参考。

1 矸石最佳级配选择

1.1 试验装置

试验采用的加载设备为长春新科YA-600 型微机控制全自动压力试验机，试验机加载方式采用力加载，加载速率为0.1 kN/s，每1 s 记录1 次数据。试验中所采用的矸石最大粒径为40 mm，根据能源行业标准NB/T 51019—2014《固体充填物料压实特性测试方法》及有关文献[20]，试验矸石压实模具形状设计为封底圆形钢筒，内径为120 mm，壁厚10 mm，高度200 mm，设计的压实钢筒在压缩过程中不会发生破坏和变形。试验装置实物图如图1。

图1 试验装置实物图Fig 1 Physical diagram of the test device

1.2 试验方案

根据邢台某矿生产排出的矸石粒径分布情况，选择占比较多的粒径不大于40 mm 的矸石作为试验材料，并运用泰波理论对不同粒径的矸石配比进行指导。其中泰波公式表示如下：

式中：P 为矸石各级粒径的通过率，%；d 为矸石各级粒径，mm；D 为矸石的最大粒径，mm；n 为试验指数，一般取0.3～0.7。

根据泰波公式，n 取值0.3～0.7，将粒径小于40 mm 的矸石进行筛分配比，得到的连续级配矸石配比表见表1。

表1 连续级配矸石配比表Table 1 Continuous grading gangue ratio table

1.3 试验结果

通过对不同泰波系数的连续级配矸石进行压缩试验，得到的连续级配矸石应力应变曲线图如图2。

图2 连续级配矸石压缩应力应变曲线Fig.2 Stress-strain curves of continuous graded gangue compression

由图2 可知，连续级配矸石压缩应力应变曲线表现为对数形态，随应力不断增加，应变增加呈先快后慢趋势，应变增长趋势由快到慢的拐点应力约为2 MPa。通过不同泰波系数应力应变曲线对比发现，泰波系数n=0.4 的连续级配矸石应变最小，说明泰波系数n=0.4 的连续级配矸石压缩率最小，密实度最高，故选择此级配作为本试验充填矸石的最佳级配。

2 充填体试件单轴压缩试验

2.1 试验设计

最佳连续级配矸石材料虽然压缩率最小，密实性最高，但由于本身的松散结构导致直接充填的矸石材料固结性和稳定性不佳，所以需要在松散矸石中掺入胶结材料，提高充填体的承载性能。试验选择普通硅酸盐水泥作为矸石充填的胶结材料，分析研究不同水泥掺量的胶结充填体分别在不同养护龄期条件下的强度及变形特性和充填体破坏形式，为井下矸石充填工程提供参考。试验方案设计见表2。

表2 试验方案设计表Table 2 Test scheme design table

2.2 试验操作过程

试验过程为：首先选择内径154 mm、高度180 mm 的高强度PVC 圆筒作为矸石水泥混合料的成型模具，在模具内壁和底部涂抹1 层润滑油，方便后期脱模；然后每个试验编号制作3 个试件，每个试件按照最佳连续级配配制矸石材料5 kg，在其中掺入试验编号对应的水泥掺量，水灰质量比取0.6，搅拌均匀之后将混合料完全倒入圆筒模具并抹平。由于井下实际矸石充填过程中为了增加充填体的致密性和稳定性，充填支架上的夯实机构会对充填体进行夯实，夯实力最大不超过2 MPa。所以试验需要对圆筒模具中的矸石水泥混合料进行轴向压实，压应力定为2 MPa。最后将压实过的试件放置于温度为（15±2）℃、湿度为80%的养护室内进行养护，养护龄期为表2 中试验编号对应的龄期。在试件达到相应的养护龄期后，对试件进行脱模，并参照GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法》对充填体试件进行单轴压缩实验，观测试件的单轴抗压强度变化和试件变形破坏特征。

3 试验结果分析

3.1 强度特性

为了减少试验误差，真实反映充填体的抗压强度，取每组试验编号下3 个试件抗压强度的平均值作为试验观测的最终结果，平均抗压强度数据表见表3。

表3 平均抗压强度数据表Table 3 Data table of mean compressive strength

由表3 分析可知，相同龄期条件下，随着水泥掺量的增加，充填体试件单轴抗压强度峰值也不同程度的增大。通过对试件的相同水泥掺量、不同养护龄期条件下的抗压强度数据对比发现，水泥掺量相同时，养护龄期越长，充填体试件的平均抗压强度也越大。其中，试验中平均抗压强度最小值为0.72 MPa，其水泥掺量和养护龄期在试验组中为最小；水泥掺量为20%的充填体试件在养护龄期为21 d 条件下的平均抗压强度最大，达到6.2 MPa，故在实际充填应用中，为使充填体更好支撑顶板，应尽量提高充填体的水泥掺量，并增加养护龄期，但也要综合考虑充填成本及矿压显现规律等因素。

3.2 变形特性

为了尽可能真实的反映充填体的变形特性，减少偶然性误差，取每组试验编号下3 个试件抗压强度的中间值作为试验观测的最终结果，不同龄期和不同水泥掺量条件下的充填体试件单轴抗压强度数据曲线如图3。

由上图3 可知，充填体试件达到峰值强度发生破坏时的应变普遍较小，范围在0.02～0.07 之间；充填体达到峰值强度之后，试件破坏的发生并不是突发性的，而是呈现不同程度的缓慢渐进的破坏过程，此时试件应变不断增加而承载能力缓慢下降，表现出应变软化特性。由图可知，在峰值强度之后，水泥掺量为5%和10%的试件峰后破坏阶段应变软化特性较为显著，这种峰后破坏时表现出的应变软化特性对于充填矿山的安全是有利的。

图3 充填体应力应变曲线图Fig.3 Stress-strain curves of backfill

各个条件下的充填体试件应力应变曲线变化程度虽然各不相同，但是与典型的岩石单轴压缩试验应力应变全过程曲线形态基本相似，都经历了试件的孔裂隙压密阶段、弹性变形阶段、裂隙扩展阶段和峰后破坏阶段等单轴压缩试验全过程的4 个阶段，构建的充填体试件压缩破坏应力应变全过程曲线模型如图4。

图4 充填体单轴压缩应力应变曲线模型Fig.4 Uniaxial compression stress -strain curve model of backfill

3.3 充填体破坏形态

通过对各组充填体试件进行单轴压缩试验，观察不同条件下的试件在压缩过程中的变化情况，并对试件达到峰值强度后发生破坏后的典型形态进行了分析，破坏形态实物图如图5。

图5 破坏形态实物图Fig.5 Physical pictures of failure morphology

由试验观测可知，充填体试件发生破坏的形态主要有3 种：劈裂破坏、剪切破坏和锥形破坏，其中劈裂破坏在所有充填体试件压缩破坏形态中出现次数最多，且水泥掺量越多，越容易出现劈裂破坏。

试件的劈裂破坏表现为在充填体试件受到轴向压缩时，充填体试件内部受到张拉应力的作用产生1 道纵向贯穿试件的主裂隙，并随着压缩的进行而横向扩张，同时在主裂隙扩张的基础上又产生次生裂隙，胶结性差的小块体首先开始剥落，从外观看试件发生膨胀变形，仍具有一定的整体性，但承载能力已经大幅下降。充填体试件发生剪切破坏主要表现为试件上下端面具有良好的完整性，但试件中部存在较多弱面，在压力的作用下弱面相互贯通，沿上端面边缘向下产生1 道倾斜的主裂隙，试件被分成上下2 个整体，并沿中间的主裂隙产生错动，同时在主裂隙基础上又产生几道次生裂隙，从而使试件整体破坏，失去承载能力。锥形破坏形态主要发生在水泥掺量较少且养护龄期较短的试件上，上下端面由于受到压板摩擦约束作用而破坏较小，而试件内部并没有完全固结，试件中部孔隙较多且矸石胶结能力较弱，在无侧限受压条件下向外变形剥离散落，最终形成锥形破坏形态。

4 结 论

1）通过对泰波理论指导下的连续级配矸石进行压缩试验，得出粒径不大于40 mm 的矸石最佳级配为泰波系数n=0.4 的矸石级配。

2）水泥掺量和养护龄期的增加，有利于增加充填体的强度。充填体单轴压缩应力应变曲线与岩石压缩全过程曲线相似，均经历了4 个阶段：孔裂隙压密阶段、弹性变形阶段、裂隙扩展阶段和峰后破坏阶段等，并构建充填体试件压缩破坏应力应变全过程曲线模型。

3）充填体试件达到峰值强度后呈现不同程度的应变软化特性，其最终破坏形态主要有3 种，即劈裂破坏、剪切破坏和锥形破坏，其中劈裂破坏在所有充填体试件压缩破坏形态中出现次数最多，且水泥掺量越多，出现劈裂破坏的概率也越大。