余偉健，萬(wàn) 幸，劉芳芳，王 直

（湖南科技大學(xué) 資源環(huán)境與安全工程學(xué)院，湖南 湘潭 411201）

0 引 言

從目前國(guó)內(nèi)能源需求看，煤炭作為我國(guó)主要能源在國(guó)民生產(chǎn)與工業(yè)領(lǐng)域中的地位是無(wú)可替代的［1］，但隨著煤炭資源開(kāi)采，地下采空區(qū)導(dǎo)致的地表沉降不僅使開(kāi)采活動(dòng)增加難度，還會(huì)影響到礦區(qū)及其周邊安全，而充填開(kāi)采能從源頭解決這些問(wèn)題，還能有效處置固體廢棄物，減少環(huán)境污染［2-3］。 隨著技術(shù)設(shè)備不斷地改進(jìn)，許多學(xué)者也通過(guò)研究，不斷地完善充填開(kāi)采體系，祁和剛等［4］提出了“短充長(zhǎng)采”的開(kāi)采模式，并在葫蘆素煤礦和劉莊煤礦成功應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)井下矸石不升井，經(jīng)分選后通過(guò)輸送帶直接充填采空區(qū)；余偉健等［5］運(yùn)用巖石力學(xué)、圍巖控制原理及其相關(guān)理論分別分析充填體的支護(hù)作用機(jī)制，煤柱的支撐條件，協(xié)作支撐系統(tǒng)的力學(xué)作用過(guò)程，結(jié)果表明所提出的“充填體+煤柱+承重巖層”協(xié)作支撐系統(tǒng)理論應(yīng)用于實(shí)際充填開(kāi)采優(yōu)化中，能有效地指導(dǎo)巖層移動(dòng)及地表沉降分析與設(shè)計(jì)；賈林剛［6］采用相似模擬試驗(yàn)方法開(kāi)展了不同充填率對(duì)覆巖移動(dòng)特征的影響研究，總結(jié)得到了覆巖變形破壞劇烈程度與充填率的關(guān)系。 膏體充填技術(shù)自20世紀(jì)80 年代開(kāi)發(fā)以來(lái)，經(jīng)過(guò)30 余年的發(fā)展，如今已取得了顯著成果［7-9］，在此基礎(chǔ)上，對(duì)于充填體材料性能研究也有許多突破。 張吉雄等［10］構(gòu)建了深部充填開(kāi)采巖層運(yùn)動(dòng)與地表沉陷控制模型，初步研發(fā)出矸石聚合物充填材料；鄭保才等［11］開(kāi)展了關(guān)于組成膏體充填材料的煤矸石、膠結(jié)材料、粉煤灰及膏體質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)強(qiáng)度的不同程度影響研究，得到了影響煤矸石膏體充填體強(qiáng)度和坍落度的因素及回歸函數(shù)；王曉東［12］用風(fēng)積砂作為骨料，以粉煤灰的質(zhì)量摻入比作為變量，通過(guò)試驗(yàn)研究和理論分析歸納出粉煤灰對(duì)該充填材料性能的影響規(guī)律。 為改進(jìn)膏體充填材料組成與質(zhì)量比，吳立波等［13］通過(guò)正交試驗(yàn)確定了赤泥-粉煤灰膏體材料的最優(yōu)質(zhì)量比；孫琦等［14］研究了煤矸石-尾砂-粉煤灰膏體不同摻量及料漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)充填材料的性能影響，確定了最佳質(zhì)量比，并分析了其抗壓強(qiáng)度影響機(jī)理；張?jiān)暗龋?5］用爐底灰，煤矸石為原料制備煤礦充填材料，研究其性能與影響因素；汪振雙等［16］將黃土用于礦山膏體充填材料中，并對(duì)其力學(xué)性能進(jìn)行研究，研發(fā)出新型膏體材料；趙兵朝等［17］用黃土取代部分粉煤灰改良得到能夠替代部分缺失充填材料的試驗(yàn)質(zhì)量比。 同時(shí)，在響應(yīng)“綠色礦山”方面也有不少學(xué)者做出了努力，張釗等［18］發(fā)現(xiàn)將廢棄的塑料制成聚乙烯（PE）粉適量用于高水充填材料能夠滿(mǎn)足工程要求且具有一定的應(yīng)用價(jià)值；古文哲等［19］初步構(gòu)建了煤礦固體廢棄物流態(tài)化漿體充填技術(shù)；馮光明等［20］優(yōu)化了超高水材料充填的一般工藝過(guò)程等，均為我國(guó)礦山企業(yè)提供新的固廢處理方法。

由于煤礦充填開(kāi)采的性?xún)r(jià)比問(wèn)題，在保證充填工藝要求的同時(shí)，還要求充填材料來(lái)源廣，成本低，而在我國(guó)，紅土是常見(jiàn)的土壤，主要分布在長(zhǎng)江以南的丘陵地帶，由于紅土地區(qū)降水量大且集中，閑置紅土坡極易發(fā)生滑移坍塌和水土流失，而紅土本身具有強(qiáng)度高，含水率高，密度和壓縮性低的特點(diǎn)，以此代替粉煤灰，將其與煤矸石，膠結(jié)材料混合制成新型膏體充填材料，可以在滿(mǎn)足充填開(kāi)采需求的同時(shí)降低成本，促進(jìn)資源合理利用。

1 充填體的材料構(gòu)成

1）煤矸石。 試驗(yàn)所用煤矸石為州景煤礦工作面采煤產(chǎn)生，經(jīng)二級(jí)破碎后的煤矸石（粒徑不大于25 mm）一般呈灰色或灰白色，如圖1a 所示。 對(duì)其進(jìn)行篩分后可以發(fā)現(xiàn)：粒徑介于5 ～25、1 ～5 mm、＜1 mm的煤矸石質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為56.6%、29.1%和14.3%。 試驗(yàn)所用煤矸石粒徑小于5 mm 質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到43.4%，滿(mǎn)足了矸石級(jí)配的粒徑要求，保證了不同粒級(jí)之間能夠相互填充。

圖1 充填體構(gòu)成材料樣品Fig.1 Material sample of backfilling body

2）紅土。 試驗(yàn)所用紅土取自州景礦區(qū)周邊，呈褐紅色，如圖1b 所示，干燥后送至實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行試驗(yàn)。紅土粒徑分級(jí)試驗(yàn)結(jié)果和物理性質(zhì)參數(shù)測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1、表2。

表1 紅土粒徑組成Table 1 Composition of red soil particle size

表2 紅土的物理性質(zhì)參數(shù)Table 2 Physical properties of red soil

由表1、表2 可知，粒徑小于0.05 mm 紅土的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.7%，大于5 mm 的為9.3%，粒徑大部分集中在0.3 ～5.0 mm，整體上顆粒級(jí)配良好；孔隙度較大、含水量中等偏低、密實(shí)性大；紅土平均壓縮系數(shù)為0.01，低于黃土的平均壓縮系數(shù)0.05。

對(duì)紅土進(jìn)行掃描電鏡分析可知，紅土中顆粒較細(xì)，多為球狀，對(duì)管道潤(rùn)滑作用較好，包裹于大顆粒集料，可以降低管道輸送中不規(guī)則物料對(duì)管道內(nèi)壁的磨損程度。

3）膠結(jié)材料。 試驗(yàn)采用的膠結(jié)材料是當(dāng)?shù)氐V山牌普通硅酸鹽水泥PO32.5，主要成分為硅酸三鈣、硅酸二鈣、鋁酸鈣、鐵鋁酸鈣和石膏，硅酸三鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)50%左右，硅酸二鈣含量一般為20%，硅酸三鈣、硅酸二鈣遇水產(chǎn)生相同的水化反應(yīng)，產(chǎn)物均為水化硅酸鈣（2CaSiO2·nH2O）。

2 充填材料質(zhì)量比設(shè)計(jì)與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 質(zhì)量比設(shè)計(jì)

充填材料中各物料不同質(zhì)量比，會(huì)在不同程度上影響著膏體性能。 為研究不同質(zhì)量比條件下的充填材料性能，根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)確定了砂灰比（煤矸石與水泥質(zhì)量比）為6 ∶1，干料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為76%～82%，取4 個(gè)水平，水泥與紅土質(zhì)量比為1 ∶2、1 ∶1、2 ∶1，另外單獨(dú)設(shè)計(jì)1 組不添加水泥的紅土-矸石充填體和1 組不添加紅土的混凝土充填體進(jìn)行對(duì)照，共5 個(gè)水平，養(yǎng)護(hù)時(shí)間均為28 d，共設(shè)計(jì)14 組試驗(yàn)，試驗(yàn)因素及水平分布見(jiàn)表3。

表3 試驗(yàn)因素及水平Table 3 Test factors and levels

2.2 力學(xué)強(qiáng)度試驗(yàn)

采用7.07 cm×7.07 cm×7.07 cm 的立方體三聯(lián)試模，在制備充填體前，先按照質(zhì)量比把所需的各物料稱(chēng)量好備用。 首先把干物料放到攪拌機(jī)中攪拌混合均勻，再倒入稱(chēng)量好的水，充分混合均勻，得到流動(dòng)狀態(tài)的料漿，測(cè)定料漿的坍落度和泌水率。 將膏體注入試模后，用鋼尺及時(shí)刮平表面，待終凝后拆模，如圖2 所示。 將脫模后的試件放在恒溫恒濕標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱（溫度20 ℃，濕度90%）中養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期，烘干至恒重后測(cè)試結(jié)石率，然后進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。

強(qiáng)度試驗(yàn)采用軸心受壓形式檢測(cè)試件的單軸抗壓強(qiáng)度。 試驗(yàn)采用RYL-600 巖石力學(xué)剪切流變儀，試驗(yàn)采用力控制加載方式，設(shè)定加載軸力為0.1 kN，加載速度為100 N/s。 每組測(cè)試3 塊，取其平均值。根據(jù)巖石力學(xué)試驗(yàn)性能測(cè)試要求，用砂紙將試塊表面打磨平整，用游標(biāo)卡尺測(cè)量每個(gè)試件的實(shí)際尺寸，并記錄。 進(jìn)行試驗(yàn)前，為避免產(chǎn)生端部效應(yīng)，在試件上下表面均勻涂抹一層黃油，然后將試件置于剪切流變儀下壓臺(tái)正中心。

圖2 脫模后部分試件Fig.2 Part of test sample after release

2.3 坍落度及擴(kuò)展度測(cè)試

為了分析料漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)及紅土摻量對(duì)充填材料流動(dòng)性能的影響特征，分別對(duì)不同灰土比與不同干料質(zhì)量分?jǐn)?shù)條件下的料漿坍落度、擴(kuò)展度進(jìn)行測(cè)定，試驗(yàn)具體流程如圖3 所示。

1）試驗(yàn)器材：坍落筒尺寸為上口100 mm×下口200 mm×高300 mm，攪拌棒，標(biāo)尺，鐵鍬，底板等。

2）拌料：將干料按質(zhì)量比混合均勻，然后從物料堆中間扒開(kāi)，將水分多次加入，攪拌成均勻料漿。

3）裝料：將擦拭干凈的坍落筒放置在底板上，用腳踩住踏板，然后將攪拌好的料漿分3 次裝入坍落筒，同時(shí)用攪拌棒搗實(shí)。 裝滿(mǎn)后，刮去多余料漿并抹平（圖4b）。

4）提筒：清除底板上的廢料，垂直向上提起坍落筒手柄，讓桶內(nèi)物料自然塌落。 提筒過(guò)程要快速、穩(wěn)定，盡量在10 s 內(nèi)完成。

5）測(cè)量：用標(biāo)尺測(cè)量筒高與塌落物最高點(diǎn)的高度值，二者之差h即料漿坍落度；用刻度尺測(cè)量塌落物的最大直徑dmax與最小直徑dmin，二者平均值即為料漿擴(kuò)展度。 每組試驗(yàn)進(jìn)行3 次，取其平均值。

2.4 泌水率測(cè)試

泌水率是指在特定的時(shí)間內(nèi)，水分從料漿中的析出量與制備料漿時(shí)所摻入水量的百分比，計(jì)算公式如下：

式中：B為泌水率，精確至1%；m為泌水量，g；m0為料漿用水量，g；M為料漿總質(zhì)量，g；G為試樣總質(zhì)量，g。

從制備好的均勻料漿中取部分試樣于燒杯中靜置3 min，然后多次用吸管吸出料漿液面析出水分，直至料漿無(wú)水析出為止；將析出的水全部注入到量筒中，進(jìn)行讀數(shù)，精確到1 g，不同干料質(zhì)量比料漿靜置前后對(duì)照情況如圖5 所示。

圖3 坍落度測(cè)試示意Fig.3 Schematic of slump test

圖4 坍落度、擴(kuò)展度測(cè)量流程Fig.4 Slump cylinder and slump measurement flow

3 紅土膏體充填材料巖石力學(xué)強(qiáng)度及破壞特性

3.1 巖石力學(xué)強(qiáng)度

不同質(zhì)量比充填體力學(xué)性質(zhì)有所差異，其強(qiáng)度和變形特征不同。 通過(guò)單軸壓縮試驗(yàn)，根據(jù)式（2）與式（3）分別出計(jì)算充填體單軸抗壓強(qiáng)度及彈性模量。 彈性模量是衡量充填體穩(wěn)定性的指標(biāo)，其值越大，彈性變形越小，穩(wěn)定性就越強(qiáng)，反之穩(wěn)定性越差。各質(zhì)量比充填體單軸壓縮下的試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

式中：σc為單軸抗壓強(qiáng)度，MPa；P為試件破壞時(shí)的載荷，N；A為試樣的橫斷面面積，mm2。

式中：ε為彈性模量，MPa；L0為試樣的原始長(zhǎng)度，mm；L為試樣變形后的長(zhǎng)度，mm。

由表4 可知，該礦充填膏體彈性模量為13.14 ～219.98 MPa，平均彈性模量為65.71 MPa，表明試件的彈性模量較離散，可反映出單軸壓縮特性顯著的各向異性特征。

圖5 料漿靜置前后對(duì)照Fig.5 Comparison of slurry before and after static setting

此外，針對(duì)第7、11、13、14 組設(shè)計(jì)了4 組粉煤灰替換的對(duì)比試驗(yàn)（質(zhì)量分?jǐn)?shù)、養(yǎng)護(hù)時(shí)間與紅土型充填材料一致）測(cè)得單軸抗壓強(qiáng)度分別為3.62、6.93、10.07、1.49 MPa，對(duì)比第7、11、13、14 組充填體平均單軸抗壓強(qiáng)度（依次為3.35、6.42、9.25、1.39 MPa）可知：同等條件下的粉煤灰型充填材料與紅土型充填材料相比較強(qiáng)度差別不大，考慮到紅土的成本比較低、取材方便以及對(duì)環(huán)境無(wú)污染等因素，優(yōu)先選用紅土作為充填材料。

表4 不同質(zhì)量比充填體強(qiáng)度Table 4 Backfilling material strength with different mass ratios

3.2 試件破壞特征

試件破壞準(zhǔn)則服從摩爾-庫(kù)侖屈服準(zhǔn)則。 從破壞特征來(lái)看（圖6），在試驗(yàn)加載過(guò)程中，試件破裂規(guī)律相差無(wú)幾，破裂分布均從試件周?chē)蛑虚g擴(kuò)散，試件表面裂紋、裂隙明顯。 但隨著紅土摻量的增加，試件在相同條件下更容易產(chǎn)生破壞，破壞形態(tài)更加明顯。 試件呈現(xiàn)剪切破壞形式，在軸向應(yīng)力作用下，破壞面的剪應(yīng)力超過(guò)了其所能承受的破壞面的最大剪應(yīng)力，造成試件沿破壞面產(chǎn)生剪切破壞。

圖6 單軸壓縮試件破壞特征Fig.6 Failure characteristics of uniaxial compression test block

由圖7（圖中A、B、C、D、E 分別為不同水泥與紅土的質(zhì)量比水平，即素水泥、2 ∶1、1 ∶1、1 ∶2、素紅土）可知，不同質(zhì)量比試件均經(jīng)歷了初始?jí)好茈A段、彈性變形階段、屈服變形階段和破壞后階段。

圖7 不同紅土摻量的充填體全程應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)Fig.7 Stress-strain curves of backfilling body with different laterite content

初始孔隙壓密階段：曲線(xiàn)呈上凹型，此階段充填體孔隙被壓密，變形小，基本可以恢復(fù)；彈性變形階段：曲線(xiàn)近似呈直線(xiàn)，該階段隨著應(yīng)力增大，試件變形幅度減小，該階段的充填體對(duì)頂板的支撐作用比較大；屈服變形階段：此階段應(yīng)力與應(yīng)變之間的直線(xiàn)關(guān)系被破壞，曲線(xiàn)斜率減小，在荷載作用下，試件達(dá)到峰值強(qiáng)度。 在達(dá)到峰值強(qiáng)度前，不同配比試件的壓密和彈性變形階段相似，屈服階段各異；破壞后階段：試件達(dá)到強(qiáng)度極限后，隨著應(yīng)力增加，抗壓強(qiáng)度逐漸降低，到達(dá)一定值后，試件產(chǎn)生破壞。

4 紅土膏體性能影響分析

4.1 紅土摻量影響

4.1.1 紅土摻量對(duì)充填材料力學(xué)特性的影響

為得到充填體強(qiáng)度與紅土摻量之間的影響關(guān)系，將紅土摻量作為變量，保持干料質(zhì)量分?jǐn)?shù)和養(yǎng)護(hù)時(shí)間不變，得到充填體強(qiáng)度與紅土摻量的變化曲線(xiàn)（圖8）。

由圖8 可知紅土摻量對(duì)充填體強(qiáng)度的影響：保持干料質(zhì)量分?jǐn)?shù)不變，充填體強(qiáng)度隨著紅土摻量的增加呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。 其中第14 組試驗(yàn)中的無(wú)膠凝材料充填體（素紅土）強(qiáng)度為1.39 MPa，不能滿(mǎn)足充填強(qiáng)度要求。 和素水泥相比較，隨著紅土加入比例的增加、水泥加入比例的減少，最大干密度逐漸減少，最優(yōu)含水量逐漸增加，這是由于紅土置換出水泥，水泥的包裹、填充和膠結(jié)作用被削弱，進(jìn)而降低了充填體的密實(shí)程度。 從強(qiáng)度角度考慮，水泥與紅土比例為2 ∶1、1 ∶1、1 ∶2 的充填體，強(qiáng)度均滿(mǎn)足充填要求。

圖8 紅土摻量與充填體強(qiáng)度的關(guān)系Fig.8 Relationship between content of laterite and strength of backfilling body

4.1.2 紅土摻量對(duì)充填材料輸送性能的影響

根據(jù)充填料漿坍落度、擴(kuò)展度及泌水率試驗(yàn)獲取的數(shù)據(jù)可知新型膏體充填材料的坍落度、擴(kuò)展度及泌水率與紅土摻量的變化關(guān)系（圖9、圖10）。

由圖9 可知，若干料質(zhì)量分?jǐn)?shù)一定，隨紅土摻量的增加，充填體坍落度、擴(kuò)展度均呈先上升后下降的趨勢(shì)，這說(shuō)明紅土比例的增加降低充填料漿的流動(dòng)性。 由圖10 可知，若干料質(zhì)量分?jǐn)?shù)一定，隨紅土摻量的增加，充填體泌水率總體呈遞減趨勢(shì)，這說(shuō)明紅土具有一定的吸水性。 綜上所述，當(dāng)水泥與紅土比例為2 ∶1、1 ∶1、1 ∶2 時(shí)，新型膏體充填體坍落度、擴(kuò)展度及泌水率均滿(mǎn)足充填要求。

4.2 干料質(zhì)量分?jǐn)?shù)影響

4.2.1 干料質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)充填材料力學(xué)特性的影響

為得到充填體強(qiáng)度與質(zhì)量分?jǐn)?shù)之間的影響關(guān)系， 將干料質(zhì)量分?jǐn)?shù)作為變量，保持灰土比和養(yǎng)護(hù)時(shí)間不變，得到充填體強(qiáng)度與干料質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化擬合曲線(xiàn)（圖11）。

由圖11 可知干料質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)充填體強(qiáng)度的影響：在保持紅土摻量不變的前提下，充填試塊強(qiáng)度隨著干料質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加整體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，且增長(zhǎng)幅度隨干料質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加呈上升趨勢(shì)。 從強(qiáng)度角度考慮，干料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為78%、80%、82%的充填體，強(qiáng)度均滿(mǎn)足充填要求。

圖9 料漿坍落度及擴(kuò)展度隨紅土摻量變化規(guī)律Fig.9 Variation of slump and expansion of slurry with content of laterite

圖10 料漿泌水率隨紅土摻量變化規(guī)律Fig.10 Variation of slurry bleeding rate with content of laterite

圖11 干料質(zhì)量分?jǐn)?shù)與充填體強(qiáng)度的關(guān)系Fig.11 Relationship between dry material mass fraction and backfilling strength

4.2.2 干料質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)充填材料輸送性能的影響

若水泥與紅土的比例一定，隨干料質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，膏體坍落度、擴(kuò)展度、泌水率均呈遞減的變化趨勢(shì)（圖12），但泌水率要盡量保持在一個(gè)低水平，以增強(qiáng)料漿穩(wěn)定性（圖13）。

因此，當(dāng)干料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為76%、78%、80%時(shí)，新型膏體充填體坍落度、擴(kuò)展度及泌水率均滿(mǎn)足充填要求。

圖12 料漿坍落度及擴(kuò)展度隨干料質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化規(guī)律Fig.12 Variation of slurry slump and spread with dry material mass fraction

圖13 料漿泌水率隨干料質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化規(guī)律Fig.13 Variation of water rate of slurry with dry material mass fraction

5 結(jié) 論

1）用紅土替代粉煤灰制作充填體，因地制宜，取材方便、成本低，而且能很好包裹于大顆粒，對(duì)管道潤(rùn)滑作用較好，減少輸送中對(duì)管道內(nèi)壁的磨損。

2）干料質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)充填體強(qiáng)度影響最大，其強(qiáng)度增長(zhǎng)幅度隨干料質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加而提升，當(dāng)干料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為80%時(shí)，充填體性能最優(yōu)；隨著紅土質(zhì)量的增加，充填材料的抗壓強(qiáng)度會(huì)降低，破壞形態(tài)更明顯，矸石、紅土、水泥質(zhì)量比6 ∶2 ∶1 能滿(mǎn)足低成本，高強(qiáng)度的充填工藝要求。

3）紅土膏體坍落度、擴(kuò)展度隨著紅土摻量增加呈先上升后下降的趨勢(shì)，而泌水率隨紅土摻量增加總體呈遞減趨勢(shì)；水泥與紅土的比例一定時(shí)，隨干料質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，膏體坍落度、擴(kuò)展度、泌水率均呈遞減的變化趨勢(shì)。