煤矸石侧限加载-浸水-卸载实验研究.pdf

第 30 卷 第 4 期 采矿与安全工程学报 Vol.30 No.4 2013 年 07 月 Journal of Mining after the test, the significant particle breakage phenomenon occurred, the non-uniform coefficient increased and the effective particle size decreased and the fragmentation degree of water immersion specimens was greater than that of dry and natural state of waste rock; the axial additional compression occurred to coal gangue after water immersion, the compression rate of this process in-creased by 9.68%, accounting for 37% of the whole process, “collapsibility” phenomenon occurred; through the analysis, the mechanism of water immersion collapsibility of coal gangue is that, water sof-tening and water lubrication on the coal gangue particles made the particles re-broken and further ad-justment of the position, resulting in the coal gangue compact once again. Key words coal gangue; compaction; water immersion; collapsibility 收稿日期：2012-02-13 基金项目：国家自然科学青年基金项目(41102201)；江苏省研究生培养创新工程项目(CXLX12_0963) 作者简介：钱自卫(1986-)，男，安徽省蒙城县人，博士研究生，从事煤矿工程地质及灾害治理方面的研究。

E-mail：ziweidav@ Tel：15896427831 煤矸石充填开采技术是矿山绿色开采的研究方向之一[1-3]， 是一种集沉陷控制与环境保护为一体的沉陷控制方法[4-6]随着矸石充填机械的研制成功，该方法在我国的“三下”资源开采及沉陷控制领域正得到越来越广泛的应用[7] 充填的煤矸石一般要经过破碎-充填-压密-浸水过程，即矿井产出的煤矸石先进行破碎形成充填料，然后运输到工作面进行充填，充填后随着上覆 第 4 期 钱自卫等：煤矸石侧限加载-浸水-卸载实验研究 579岩层的沉陷对矸石产生压密作用，最后随着采空区浸水矸石逐渐被水浸没在这个过程中主要涉及矸石的压实及浸水附加压缩的问题目前，对煤矸石在不同条件下的压实特性进行了充分的研究，主要考虑到颗粒级配、含水状态及颗粒强度等因素，研究级配变化、应变、孔隙率及变形模量等与应力的关系；而对煤矸石在浸水过程中的附加变形研究很少 本文将在常规煤矸石压密研究的基础上，研究矸石在压密后浸水过程中的附加压缩问题，共进行了 12 个试样、12/3=4 个条件的实验，每一个条件的 3 个试样取平均值进行分析。

1 实验设计及控制 1.1 实验矸石样 实验所用的煤矸石样取自潘三煤矿矸石，岩性为砂质泥岩 将矸石重新破碎， 制成粒径小于15 mm的破碎料实验前测试煤矸石块的点载荷强度在2.5~4.0 MPa，天然含水量为 2.2%，饱和破碎矸石的含水量约为 5.0%其颗粒级配曲线如图 1 小于某粒径的累计百分含量/%图 1 实验前后试样颗粒级配统计曲线 Fig.1 The statistical curve of sample particle size distribution 1.2 实验过程 压密实验采用土样固结仪进行，破碎矸石集于土样置备器中进行压缩，土样制备器直径 62 mm，高 125 mm，如图 2压缩时均匀分步添加砝码，采用千分表记录矸石的轴向压缩量实验前先将破碎矸石筛分成 0~0.2，0.2~0.5，0.5~2，2~5，5~10，10~15 mm 粒组，然后根据原颗粒级配曲线进行配比，保证每个试样的颗粒级配完全一致共采用 3种状态破碎矸石进行 4 个条件的实验，每个实验都配制天然含水状态矸石 498.2 g， 使得各试样的干密度均为 1.291 5 g/cm3根据实验设计进行烘干或浸水饱和。

实验 1~3 分别采用天然、干燥、饱和矸石进行， 先进行侧限压密， 轴向应力施加到设计值时，停止增加轴压，等待 48 h 连续观测变形量，观测完毕后进行卸载；实验 4 采用天然状态矸石进行，先进行侧限压密，轴向应力施加到设计值时，停止增加轴压，等待轴向应变相对稳定时，从试样底部逐渐慢速浸水，观察浸水过程中试样变形量，浸水完成后还要连续观测变形量，观测完毕后再进行卸载 图 2 实验仪器设备 Fig.2 Test equipment 2 实验结果及分析 2.1 压缩过程 压缩过程为各试样在侧限条件下均匀施加轴向载荷至 5.0 MPa，记录试样的轴向压缩率，压缩过程曲线如图 3 所示，分析可知： 轴向压缩率/%图 3 轴向压缩过程曲线 Fig.3 Axial compression curve 1) 矸石轴向压缩时， 压缩过程曲线是一条非线性曲线，可用指数函数拟合[8-9]； 2) 轴向应力-压缩率曲线所反映的矸石压缩过程，分为 3 个阶段[6,10]：① 压缩率快速增长的线性阶段，它以散体间隙压实为主；② 斜率递减阶段，随着轴向应力的增加，压缩率增加梯度减慢，它对应于从散体间隙压实到矸石块体压碎压实的过程；③ 轴向应力快速增长的线性阶段，这一阶段表现为散体完全被压实，应力随压缩率增加稳定且很快。

3) 矸石在不同的含水状态下压缩率不同， 实验1~4 的压缩率分别达到 26.2%，22.1%，36.8%，采矿与安全工程学报 第 30 卷 580 26.1%，总体表现为随着含水量增加压缩率变大的特点，其中试样在浸水饱和状态压缩率比天然状态下增加了 41%，这种现象主要由水的润滑及对矸石软化作用引起 2.2 蠕变观测及浸水过程 实验1~3在进行压缩实验完成后持续48 h连续观察压缩率变化情况，实验 4 在等待 182 min 轴向变形基本稳定后，从试样底部均匀慢速浸水，浸水速度为 0.192 mm/min，至 593 min 试样完全浸入水中实验曲线如图 4 所示，分析可知： 1) 实验 1~4 分别在 38，40，28，38 min 内变形速度较快，且在此时间点后变形速度明显放缓，最终逐渐稳定 实验 1~3 在 48 h 的压缩率增长分别为 1.04%，1.07%，1.74% 2) 实验 4 在经过浸水后，发生明显的轴向压缩，浸水过程中压缩率增长达到 9.68%，占试样压缩过程变形的 37%，产生“湿陷”现象，这也就意味着在采用矸石充填时，如果采空区后期浸水，那么地表将产生附加沉陷。

3) 浸水压缩过程曲线可明显地分为 3 个阶段：① AB 段，压缩率急速增长阶段，此阶段毛细润湿速度大于浸水水平增长速度，压缩率的增长主要由于浸水段及毛细润湿段内水对试样的润滑软化作用引起；② BC 段，压缩率快速增长，B 点开始毛细润湿速度等于浸水水平增长速度，压缩率增长主要由于浸水段及毛细润湿段内水对试样的润滑软化作用引起；③ CD 段，压缩率稳定增长，C 点开始，毛细润湿作用达到试样顶面，压缩率增加主要由于浸水段内水的润滑软化作用引起 轴向压缩率/%图 4 等待及浸水过程压缩率变化曲线 Fig.4 Waiting and water immersion process compression rate curve 2.3 卸载过程 在进行稳定 48 h 观测后进行匀速卸载实验， 卸载过程曲线如图 5 所示，分析可知： 1) 实验 1~4 卸载压缩率减少分别达到 0.96%，0.83%，1.09%，1.53%，总体表现为随着试样含水率增大而压缩率减少量逐渐增长的特点. 2) 卸载过程曲线可分为 2 个阶段：① 压缩率稳定增长的线性阶段；② 按指数函数变化的非线性阶段 2025303540012345 轴向应力/MPa轴向压缩量/%实验1 实验2 实验3 实验4图 5 轴向卸载过程曲线 Fig.5 Axial unloading process curve 2.4 颗粒级配变化 实验前后分别对各试样进行了筛分，实验后的试样筛分在烘干后进行。

各实验的颗粒级配曲线如图 1 所示采用公式 D0=∑Dq 计算颗粒有效粒度，式中：D 为颗粒筛分的直径；q 为筛分直径对应的百分比； 采用 Cu=d60/d10计算不均匀系数， 式中 d10，d60分别相当于 10%，60%的粒径，d10称为有效粒径，d60称为限制粒径计算结果如表 1 所示，分析可知： 表 1 有效粒度及不均匀系数统计 Table 1 Statistics of effective particle size and nonuniform coefficient 有效粒度/mm 不均匀系数 实验编号 实验前 实验后 实验前 实验后 1 4.79 7.33 2 4.72 7.92 3 3.62 18.95 4 5.98 3.57 4.00 19.00 1) 矸石在经过实验后， 发生明显的破碎，实验1~4 有效粒度分别减小 19.9%，21.1%，39.5%，40.3%，不均匀系数分别增大 83.3%，98.0%，373.8%，375.0% 2) 实验 3，4 的有效粒度减少比例明显大于实验 1，2，说明浸水过程加剧了颗粒的破碎 3) 各试样实验前的不均匀系数均小于 5，属于级配不良颗粒，实验后各试样的不均匀系数明显增大，均大于 5，说明颗粒粒组分布范围增大，其中浸水试样明显大于其他试样，说明浸水使颗粒进一步破碎。

第 4 期 钱自卫等：煤矸石侧限加载-浸水-卸载实验研究 5813 浸水湿陷机理分析 姜振泉、季梁军等[11]曾对煤矸石的压密机制进行分析，把矸石的压密分为破碎压密和固结压密 2个阶段 在受压初期， 矸石处于相对疏松的状态(图6a)， 通过施加轴压应力使得颗粒发生重新破碎及位置调整，最终形成图 6b 的状态[11] (a) 原始状态 (b) 压密后 (c) 浸水湿陷后 图 6 矸石压密及浸水湿陷过程示意图 Fig.6 Schematic diagram of coal gangue compaction and soaking collapsibility process 在经过压密实验后，矸石所承受的应力由大颗粒形成的骨架及粒间小颗粒共同承担， 应力-应变曲线(图 3)表现为轴向应力快速增长的线性阶段[9] 在经过浸水后，水对矸石作用表现为两方面[8]: 1) 水分子在浸润作用下， 减弱了颗粒。