葫蘆素煤礦煤矸石充填材料壓實特性試驗研究

劉永強,張 鵬

(1.中天合創能源有限責任公司,內蒙古 鄂爾多斯 017399;2.中煤能源研究院有限責任公司,陜西 西安 710054)

0 引言

近年來,國家對環境保護問題非常重視,針對煤炭行業出臺了多項政策鼓勵“充填開采”綠色開采技術研究[1],充填開采技術不僅是處理“三下壓煤”的關鍵技術,而且可以解決煤矸石等固廢材料地面堆積造成的環境問題[2-4]。固體充填采煤技術是常用的一種充填開采技術,通過將生產過程中產生的矸石、粉煤灰等固廢材料充入采空區,可以有效處理矸石并控制頂板下沉,而固體充填采煤技術對頂板的控制效果主要取決于其充實率[5-7],因此固廢充填材料壓實特性的研究是非常重要的。

目前國內外學者針對固廢充填材料壓實特性做了大量研究,朱川曲等[8]對不同粒徑、不同級配矸石進行了壓縮實驗,研究發現連續級配矸石抗變形能力最好;劉鵬亮、張大牛、肖猛等[9-11]通過側限壓縮試驗,研究了矸石初步壓實、破裂壓密和整體穩定壓實3個階段矸石材料的變形特征;李猛等[12]測試了不同充填材料的壓實特性,得到了采高、采深等因素對充實率的影響規律;辛恒奇等[13]通過設計浸水矸石側限壓縮試驗,得到了散體矸石浸水后的力學性能及抗變形能力。由此可以看出,國內外學者針對矸石等固廢材料的壓實性能進行了大量的研究,取得大量成果,但對自然配比、不同級配、不同配比條件下固廢材料壓實特性的橫向對比研究相對較少。以葫蘆素煤礦煤為研究背景,全面研究了自然配比、不同級配、不同配比條件下矸石等固廢材料的壓實特性,并得到了壓實性能最優的固廢材料配比,研究結論可為工程材料配比設計提供參考。

1 試驗材料及測試方案

1.1 實驗設備及原理

破碎矸石孔隙率測試主要通過核磁共振分析儀器進行測試;壓實特性測試試驗采用MTS電液伺服系統進行測試,將固體充填材料放入自制的圓柱形壓實缸進行側限壓縮實驗,使用MTS勻速加載實驗缸內矸石材料,如圖1所示,工作原理如圖2所示。

圖2 壓實實驗原理示意

1.2 實驗方案設計

1.2.1 破碎矸石孔隙率測試

為了最大限度還原現場充填矸石的原始狀態,將矸石破碎成適合現場充填粒徑以后,隨機選取不同形狀與粒徑的矸石用自來水在常溫下浸泡120 h,使其處于完全飽和狀態。采用低頻核磁共振儀對矸石進行測試。首先將低頻核磁共振分析儀實驗室內的溫度與濕度調節到適合該儀器進行測試的環境,之后打開核磁共振儀器進行調試、定標。將原先浸泡好的矸石樣本取出測量質量與體積,之后將其表面的水分擦拭干凈放入測試試管內,將試管放入指定測試位置進行測試。

1.2.2 自然配比煤矸石壓實特性測試

使用MTS勻速加載實驗缸內粒徑小于50 mm的自然配比矸石,加載最大應力為葫蘆素煤礦應用工作面所在埋深最大垂直應力,煤層埋深約為640 m,對應最大垂直應力為16 MPa,為提高實驗精確性,本次實驗共進行6組重復試驗(1#～6#)。

1.2.3 不同級配煤矸石壓實特性測試

通過分級篩,篩分出不同粒徑范圍的矸石,并分別測試重量,計算其占自然配比矸石總質量的比重,如圖3所示。本次實驗選擇總粒徑范圍為0～50 mm,分別篩分0～5 mm、5～10 mm、10～20 mm、20～30 mm、30～40 mm和40～50 mm共6組粒徑范圍的散體材料,并稱重計算占比。通過篩分實驗得到的不同粒徑范圍散體矸石,進行粒徑配比,配比粒徑比重均設定為等比例,范圍組合共分為6組:1#(0～5 mm)、2#(0～10 mm)、3#(0～20 mm)、4#(0～30 mm)、5#(0～40 mm)、6#(0～50 mm)。分別對6組不同級配散體矸石進行壓實實驗。

圖3 不同口徑分級篩

1.2.4 不同配比固廢材料壓實特性測試

目前,國內可用于充填的固體散體材料,主要有矸石、粉煤灰、氣化渣、黃土、黃沙、非煤礦山尾礦等。這些材料根據其本身物理力學特性和粒徑分布情況,一般被劃分為:粗骨料(主骨料)、細骨料和輔料。根據葫蘆素煤礦可處理固體廢棄物范圍,以洗選矸石作為主骨料(粒徑范圍0～50 mm),粉煤灰作為輔料(粒徑范圍<0.5 mm),并以細磨矸石作為細骨料(粒徑范圍0～2 mm,細骨料一般較輔料更能高效提升壓實特性),實驗材料如圖4所示。

圖4 實驗材料

對3種不同材料進行配比,并以MTS伺服系統分別進行壓實測試,配比方案共分6組,每組的配比方式見表1。

表1 各組實驗方案固體充填材料配比

2 結果與分析

2.1 自然堆積矸石孔隙率

將實驗室測試分析所得自然堆積矸石孔隙率及小于0.1 μm的孔徑占比數據繪制出如圖5、圖6所示柱狀圖。由圖可知,將矸石破碎成適合充填的粒徑后,其孔隙度在8.6%左右,孔徑主要以孔徑小于0.1 μm的微型孔徑為主。從充填矸石自身的微觀角度分析,充填矸石在受到充填液壓支架后部夯實,機構夯實或者受到頂板壓縮時,多次破碎矸石比較致密,具有良好的承載能力,且矸石內部的孔隙對其變形量影響較小,可忽略不計。故矸石在壓實過程中,其變形主要由矸石堆積之后形成的空隙不斷被壓實、被更小粒徑的矸石充填導致。

圖5 矸石微孔隙率分布

圖6 矸石中小于0.1 μm的孔徑占比

2.2 自然配比煤矸石壓實特性

如圖7所示,在16 MPa軸向載荷壓縮后的散體矸石均已高度密實和膠結,有效孔隙幾乎完全閉合,且矸石材料(尤其是粒徑較大矸石)出現斷裂。

圖7 自然配比壓實特性測試實拍照片(部分)

1#～6#實驗測試的散體矸石殘余碎脹系數對應曲線如圖8所示,視密度變化曲線如圖9所示。隨著應力的增大散體矸石殘余碎漲系數迅速下降,其視密度相應升高,當應力達到3 MPa后其變化幅度逐漸減小最終趨于穩定。在Pmax=16 MPa條件下自然配比散體矸石的最小碎脹系數分別為1.11、1.073、1.183、1.053、1.072、1.017,平均值為1.085;視密度最大分別為2.248 t/m3、2.326 t/m3、2.093 t/m3、2.391 t/m3、2.354 t/m3、2.410 t/m3,平均值為2.304 t/m3。在16 MPa條件下,散體矸石碎脹系數低于1.1,其視密度大幅度增加,表明散體矸石材料已經高度密實。

圖8 自然配比散體矸石殘余碎脹系數變化曲線

圖9 自然配比散體矸石視密度變化曲線

1#～6#實驗測試的應力應變對應(應力-壓實度)曲線如圖10所示。應力在0～2 MPa范圍內,矸石顆粒間間隙迅速被壓縮,矸石應變量呈線性增長;應力在2～6 MPa范圍內,矸石間隙已基本壓縮完畢,矸石顆粒開始破碎并充入較小的空隙中,矸石壓縮呈對數形式增長;當應力大于6 MPa后,矸石間隙被破碎后進一步充實,矸石壓縮應變量開始趨于穩定。在Pmax=16 MPa條件下6組自然配比壓實特性測試的最大應變分別為0.39、0.48、0.35、0.42、0.41、0.44,平均值為0.415,表明在自然配比條件下矸石整體壓縮量較大,不適宜直接運用到充填工作中。

圖10 自然配比壓實特性測試應力應變曲線

2.3 不同級配煤矸石壓實特性

不同粒徑范圍壓實特性測試實拍照片如圖11所示。由圖片可以明顯看出,在16 MPa載荷下,所有試樣在壓縮后均高度密實和膠結,大粒徑矸石均出現破斷情況。

圖11 不同粒徑范圍壓實特性測試實拍照片(部分)

不同粒徑范圍矸石壓實特性測試應力應變曲線如圖12所示。不同級配矸石壓實過程與自然配比條件下較為一致,不同級配矸石側限壓縮達到緩慢變形階段的應變分別為0.256 6、0.308 7、0.309 4、0.441 4、0.410 6、0.356 9,隨著粒徑范圍增大,由于有效孔隙比重增加,最大壓實度也隨之增加,矸石應變量最大值出現在0～30 mm粒徑范圍內,且由0～20 mm到0～30 mm時變化幅度較大。綜合考慮矸石研磨成本及壓實性能,矸石材料最佳級配范圍為0～20 mm,其應變值遠小于自然配比煤矸石材料。

圖12 不同粒徑矸石壓實特性測試應力應變曲線

2.4 不同配比固廢材料壓實特性

1#～6#不同配比固廢材料的壓實應力應變曲線如圖13所示。6種配比固廢材料側限壓縮達到緩慢變形階段的應變分別為0.37、0.41、0.35、0.33、0.29、0.32,3#～6#加入粉煤灰后固廢材料抗應變能力明顯提高,且5#和6#應變量最小。結果表明,增加粉煤灰輔料可以明顯提高混合材料壓實性能,當粗矸、細矸與粉煤灰配比為0.6∶0.3∶0.1和0.7∶0.2∶0.1時,壓實性能最佳。

3 結論

(1)將矸石破碎成適合充填的粒徑后,孔隙度在8.6%左右,孔徑主要以小于0.1 μm的微型孔徑為主。從充填矸石自身的微觀角度去分析,充填矸石在壓實過程中,變形主要由矸石堆積之后形成的空隙不斷被壓實、被更小粒徑的矸石充填導致。

(2)在Pmax=16 MPa條件下,矸石材料有效孔隙幾乎完全閉合,且粒徑較大矸石材料出現斷裂,自然配比矸石散體材料壓實特性測試的最大應變平均值為0.415,矸石整體壓縮量較大,不適宜直接運用到充填工作中。

(3)不同粒徑范圍內矸石應變量最大值出現在0～30 mm粒徑范圍內,且由0～20 mm到0～30 mm時變化幅度較大,綜合考慮矸石研磨成本及其壓實性能,矸石材料最佳級配范圍為0～20 mm,其應變值遠小于自然配比煤矸石材料。

(4)粉煤灰輔料可以明顯提高混合材料壓實性能,當粗矸、細矸與粉煤灰配比為0.6∶0.3∶0.1和0.7∶0.2∶0.1時,壓實性能最佳。