葫芦素煤矿煤矸石充填材料压实特性试验研究.pdf

葫芦素煤矿煤矸石充填材料压实特性试验研究刘永强，张鹏（中天合创能源有限责任公司，内蒙古 鄂尔多斯 ；中煤能源研究院有限责任公司，陕西 西安 ）摘要：固废充填材料的压实特性研究是实施固体密实充填采煤技术的重要基础。通过设计自然堆积破碎矸石孔隙率测试试验；自然配比、不同级配、不同配比条件下固废材料侧限压缩试验，对侧限压缩条件下固废充填材料的压实特性进行研究。结果表明，自然堆积破碎矸石孔隙度在 左右，孔径主要以小于 的微型孔径为主，从微观角度分析充填矸石压实过程主要由矸石堆积之后形成的空隙被压实产生；在 条件下，矸石材料有效孔隙几乎完全闭合，且粒径较大矸石材料出现断裂，自然配比条件下矸石最大应变量平均值为 ，整体应变量较大，不适宜直接运用到充填工作中；综合考虑矸石研磨成本及其压实性能，矸石材料最佳级配范围为 ，其应变值远小于自然配比煤矸石材料；增加粉煤灰辅料可以明显提高矸石固废混合材料的压实性能，当粗矸、细矸与粉煤灰配比为 和 时，压实性能最佳。关键词：固体充填；固废材料；侧限压缩；压实特性；级配中图分类号：文献标志码：文章编号：（），（，；，）：，：，：；第 期刘永强张鹏葫芦素煤矿煤矸石充填材料压实特性试验研究收稿日期：作者简介：刘永强（），男，内蒙古鄂尔多斯人，工程师，现从事煤矿采掘技术管理工作。引言近年来，国家对环境保护问题非常重视，针对煤炭行业出台了多项政策鼓励“充填开采”绿色开采技术研究 ，充填开采技术不仅是处理“三下压煤”的关键技术，而且可以解决煤矸石等固废材料地面堆积造成的环境问题 。固体充填采煤技术是常用的一种充填开采技术，通过将生产过程中产生的矸石、粉煤灰等固废材料充入采空区，可以有效处理矸石并控制顶板下沉，而固体充填采煤技术对顶板的控制效果主要取决于其充实率 ，因此固废充填材料压实特性的研究是非常重要的。目前国内外学者针对固废充填材料压实特性做了大量研究，朱川曲等 对不同粒径、不同级配矸石进行了压缩实验，研究发现连续级配矸石抗变形能力最好；刘鹏亮、张大牛、肖猛等 通过侧限压缩试验，研究了矸石初步压实、破裂压密和整体稳定压实 个阶段矸石材料的变形特征；李猛等 测试了不同充填材料的压实特性，得到了采高、采深等因素对充实率的影响规律；辛恒奇等 通过设计浸水矸石侧限压缩试验，得到了散体矸石浸水后的力学性能及抗变形能力。由此可以看出，国内外学者针对矸石等固废材料的压实性能进行了大量的研究，取得大量成果，但对自然配比、不同级配、不同配比条件下固废材料压实特性的横向对比研究相对较少。以葫芦素煤矿煤为研究背景，全面研究了自然配比、不同级配、不同配比条件下矸石等固废材料的压实特性，并得到了压实性能最优的固废材料配比，研究结论可为工程材料配比设计提供参考。试验材料及测试方案 实验设备及原理破碎矸石孔隙率测试主要通过核磁共振分析仪器进行测试；压实特性测试试验采用 电液伺服系统进行测试，将固体充填材料放入自制的圆柱形压实缸进行侧限压缩实验，使用 匀速加载实验缸内矸石材料，如图 所示，工作原理如图 所示。图 型核磁共振分析仪器 （）?图 压实实验原理示意 实验方案设计 破碎矸石孔隙率测试为了最大限度还原现场充填矸石的原始状态，将矸石破碎成适合现场充填粒径以后，随机选取不同形状与粒径的矸石用自来水在常温下浸泡 ，使其处于完全饱和状态。采用低频核磁共振仪对矸石进行测试。首先将低频核磁共振分析仪实验室内的温度与湿度调节到适合该仪器进行测试的环境，之后打开核磁共振仪器进行调试、定标。将原先浸泡好的矸石样本取出测量质量与体积，之后将其表面的水分擦拭干净放入测试试管内，将试管放入指定测试位置进行测试。自然配比煤矸石压实特性测试使用 匀速加载实验缸内粒径小于 的自然配比矸石，加载最大应力为葫芦素煤矿应用工作面所在埋深最大垂直应力，煤层埋深约为 ，对应最大垂直应力为 ，为提高实验精确性，本次实验共进行 组重复试验（）。不同级配煤矸石压实特性测试通过分级筛，筛分出不同粒径范围的矸石，并分别测试重量，计算其占自然配比矸石总质量的比重，如图 所示。本次实验选择总粒径范围为 ，分别筛分 、和 共 组粒径范围的散体材料，并称重计算占比。通过筛分实验得到的不同粒径范围散体矸石，进行粒径配比，配比粒径比重均设定为等比例，范围组合共分为 组：（）、（）、（）、（）、（）、（）。分别对 组不同级配散体矸石进行压实实验。不同配比固废材料压实特性测试目前，国内可用于充填的固体散体材料，主要有矸石、粉煤灰、气化渣、黄土、黄沙、非煤矿山尾矿等。陕西煤炭 年这些材料根据其本身物理力学特性和粒径分布情况，一般被划分为：粗骨料（主骨料）、细骨料和辅料。根据葫芦素煤矿可处理固体废弃物范围，以洗选矸石作为主骨料（粒径范围 ），粉煤灰作为辅料（粒径范围 ），并以细磨矸石作为细骨料（粒径范围 ，细骨料一般较辅料更能高效提升压实特性），实验材料如图 所示。图 不同口径分级筛?图 实验材料 对 种不同材料进行配比，并以 伺服系统分别进行压实测试，配比方案共分 组，每组的配比方式见表 。表 各组实验方案固体充填材料配比 实验组别 洗选矸石（粗骨料）细磨矸石（细骨料）粉煤灰（辅料）结果与分析 自然堆积矸石孔隙率将实验室测试分析所得自然堆积矸石孔隙率及小于 的孔径占比数据绘制出如图 、图 所示柱状图。由图可知，将矸石破碎成适合充填的粒径后，其孔隙度在 左右，孔径主要以孔径小于 的微型孔径为主。从充填矸石自身的微观角度分析，充填矸石在受到充填液压支架后部夯实，机构夯实或者受到顶板压缩时，多次破碎矸石比较致密，具有良好的承载能力，且矸石内部的孔隙对其变形量影响较小，可忽略不计。故矸石在压实过程中，其变形主要由矸石堆积之后形成的空隙不断被压实、被更小粒径的矸石充填导致。?图 矸石微孔隙率分布?图 矸石中小于 的孔径占比 自然配比煤矸石压实特性如图所示，在 轴向载荷压缩后的散体矸石均已高度密实和胶结，有效孔隙几乎完全闭合，且矸石材料（尤其是粒径较大矸石）出现断裂。实验测试的散体矸石残余碎胀系数对应曲线如图 所示，视密度变化曲线如图 所示。随着应力的增大散体矸石残余碎涨系数迅速下降，其视密度相应升高，当应力达到 后其变化幅度逐渐减小最终趋于稳定。在 条件下自然配比散体矸石的最小碎胀系数分别为 、，平均值为 ；视密 度 最 大 分 别 为 、，平均值为 。在 条件下，散体矸石碎第 期刘永强张鹏葫芦素煤矿煤矸石充填材料压实特性试验研究胀系数低于 ，其视密度大幅度增加，表明散体矸石材料已经高度密实。?图 自然配比压实特性测试实拍照片（部分）（）?图 自然配比散体矸石残余碎胀系数变化曲线 实验测试的应力应变对应（应力 压实度）曲线如图 所示。应力在 范围内，矸石颗粒间间隙迅速被压缩，矸石应变量呈线性增长；应力在 范围内，矸石间隙已基本压缩完毕，矸石颗粒开始破碎并充入较小的空隙中，矸石压缩呈对数形式增长；当应力大于 后，矸石间隙被破碎后进一步充实，矸石压缩应变量开始趋于稳定。在 条件下 组自然配比压实特性测试的最大应变分别为 、，平均值为 ，表明在自然配比条件下矸石整体压缩量较大，不适宜直接运用到充填工作中。?图 自然配比压实特性测试应力应变曲线 不同级配煤矸石压实特性不同粒径范围压实特性测试实拍照片如图 所示。由图片可以明显看出，在 载荷下，所有试样在压缩后均高度密实和胶结，大粒径矸石均出现破断情况。不同粒径范围矸石压实特性测试应力应变曲线如图 所示。不同级配矸石压实过程与自然配比条件下较为一致，不同级配矸石侧限压缩达到缓慢变形阶段的应变分别为 、，随着粒径范围增大，由于有效孔隙比重增加，最大压实度也随之增加，矸石应变量最大值出现在 粒径范围内，且由 到 时变化幅度较大。综合考虑矸石研磨成本及压实性能，矸石材料最佳级配范围为 ，其应变值远小于自然配比煤矸石材料。不同配比固废材料压实特性 不同配比固废材料的压实应力应变曲线如图 所示。种配比固废材料侧限压缩达到缓慢变形阶段的应变分别为 、，加入粉煤灰后固废材料抗应变能力明显提高，且 和 应变量最小。结果表明，增加粉煤灰辅料可以明显提高混合材料压实性能，当陕西煤炭 年?图 自然配比散体矸石视密度变化曲线 粗矸、细矸与粉煤灰配比为 和 时，压实性能最佳。?图 不同粒径范围压实特性测试实拍照片（部分）（）?图 不同粒径矸石压实特性测试应力应变曲线?图 不同配比固废材料压实特性测试应力应变曲线 结论（）将矸石破碎成适合充填的粒径后，孔隙度在 左右，孔径主要以小于 的微型孔径为主。从充填矸石自身的微观角度去分析，充填矸石在压实过程中，变形主要由矸石堆积之后形成的空隙不断被压实、被更小粒径的矸石充填导致。（）在 条件下，矸石材料有效孔隙几乎完全闭合，且粒径较大矸石材料出现断裂，自然配比矸石散体材料压实特性测试的最大应变平均值为 ，矸石整体压缩量较大，不适宜直接运用到充填工作中。（）不同粒径范围内矸石应变量最大值出现在 粒径范围内，且由 到 时变化幅度较大，综合考虑矸石研磨成本及其压实性能，矸石材料最佳级配范围为 ，其应变值远小于自然配比煤矸石材料。（）粉煤灰辅料可以明显提高混合材料压实性能，当粗矸、细矸与粉煤灰配比为 和 时，压实性能最佳。参考文献：国家发展改革委 关于“十四五”大宗固体废弃物综合利用的指导意见 （）：缪协兴 充填采煤技术与岩层控制理论 中国煤炭学会 高层学术论坛论文集 北京：中国煤炭学会，：贺杰兵“三下”压煤中矸石充填开采地表沉陷规律探究 煤炭与化工，（）：，宋高峰，刘会臣，任志成“三下”压煤充填采煤技术发展现状及展望 煤矿安全，（）：，（）：黄艳利 固体密实充填采煤的矿压控制理论与应用研究 徐州：中国矿业大学，李猛，张吉雄，缪协兴，等 固体充填体压实特征下岩层移动规律研究 中国矿业大学学报，（）：，朱川曲，周泽，李青锋，等 矸石充填材料压缩力学特性试验研究 湖南科技大学学报（自然科学版），（）：（下转第 页）第 期刘永强张鹏葫芦素煤矿煤矸石充填材料压实特性试验研究机理 郑哲敏 郑哲敏文集 北京：科学出版社，：张晓强，蔡端懿 大数据对于科学研究影响的哲学分析 自然辩证法研究，（）：贺威，刘伟榕 大数据时代的科研革新 未来与发展，（）：程耀东，陈刚 科研大数据平台关键技术与实践 工程研究 跨学科视野中的工程，（）：张迪 大数据时代科研新方法研究 京理工大学，王胜开，马欣 科研大数据发展状况探讨 互联网天地，（）：张峰，张迪 论大数据时代科研方法新特征及其影响 科学学研究，（）：，李绍泉，李青松，衡献伟，等 煤与瓦斯突出预警技术现状与展望 煤矿安全，（）：张忱，赵鹏飞，卢红奇 煤与瓦斯突出预测方法的研究现状及发展趋势研究 中国科技纵横，（）：李定启，程远平，王海峰，等 基于决策树 改进算法的煤与瓦斯突出预测 煤炭学报，（）：周世宁，何学秋 煤和瓦斯突出机理的流变假说 中国矿业大学学报，（）：蒋承林，俞启香 煤与瓦斯突出的球壳失稳机理及防治技术 徐州：中国矿业大学出版社，郭德勇 韩德馨 煤与瓦斯突出粘滑机理研究 煤炭学报 ，（）：梁冰 煤和瓦斯突出固流耦合失稳理论 北京：地质出版社，熊阳涛，黄滚，罗甲渊，等 煤与瓦斯突出能量耗散理论分析与试验研究 岩石力学与工程学报，（）：范喜生，张浪，汪东，等 煤巷掘进工作面煤与瓦斯突出预测的“掩护罩”理论 安全与环境学报，（）：张子戌，刘高峰，吕闰生，等 基于模糊模式识别的煤与瓦斯突出区域预测 煤炭学报，（）：王凯，王轶波，卢杰 煤与瓦斯突出动态前兆的非线性特征研究 采矿与安全工程学报，（）：郭德勇，李念友，裴大文，等 煤与瓦斯突出预测灰色理论 神经网络方法 北京科技大学学报，（）：苗琦，杨胜强，欧晓英，等 煤与瓦斯突出灰色 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