鄭麗輝，周躍進，張雷鳴，毛東桂，馬永東

(1.中國礦業(yè)大學 深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室，江蘇 徐州 221116；2.中國礦業(yè)大學 力學與土木工程學院，江蘇 徐州 221116)

0 引 言

綜合機械化固體充填采煤是將煤矸石、粉煤灰、建筑垃圾等固體廢棄物密實充填至采空區(qū)，不僅實現(xiàn)了“三下”壓煤等難開采煤層的高效安全開采，同時有效減少或消除煤炭開采引起的地質災害與環(huán)境污染等問題[1-3]，因此在全國各大礦區(qū)得以推廣使用。

矸石作為選煤等流程后產生的固體廢棄物用來充填采空區(qū)，既解決了矸石帶來的環(huán)境污染問題，又解決了地表沉陷的問題[4-5]。研究表明矸石的級配及不同應力狀態(tài)表現(xiàn)出不同力學特性，一些研究人員通過室內單軸壓縮試驗，分析了煤矸石材料在單軸壓實狀態(tài)下其壓縮量、泊松比和彈性模量等常規(guī)力學參數(shù)，并研究了煤矸石材料在壓實情況下的變化趨勢[6-8]。粉煤灰作為發(fā)電廠的固體廢棄物，與矸石摻混的充填體壓縮變形小于純矸石的充填體，充填至采空區(qū)可有效控制地表的沉降[9]。矸石的級配對矸石充填體變形特性影響較大，連續(xù)級配矸石的抗變形能力較強，且粒徑組成越均勻，承載壓縮率越低。不同級配的矸石承壓破碎后，矸石粒徑組成相似，且小粒徑矸石占比越高，破碎率越低[10-12]。矸石充填體長時間受上覆巖層作用由瞬時壓實進入蠕變壓實狀態(tài)，充填體將繼續(xù)發(fā)生緩慢變形，對地表沉陷產生影響并波及地面建筑物的穩(wěn)定性[13-14]，部分科研人員通過借助自制的散體充填材料雙向加載試驗系統(tǒng)[15]，采用分級加載方式測試了矸石充填材料承載壓縮特性,得到了矸石充填材料在承載過程中的瞬時與蠕變壓縮變形規(guī)律。針對不同充填深度條件下充填體的不同受力形式及變化特征，通過控制應力水平試驗測試分析不同加載應力作用下矸石充填材料蠕變變形的時間相關性特征[16]?；陧肥涮钕锏廊渥儣l件下的變形特征，利用流變力學參數(shù)構建了其蠕變條件下的數(shù)學表達式，并分析了其特征參數(shù)對巷道穩(wěn)定性的影響規(guī)律[17]。

筆者從聚合物的性能方面分析選取了3種聚合物，采用自制承載壓縮裝置對不同矸石聚合物充填材料進行側限壓縮試驗，基于側限壓縮試驗結果進一步分析矸石聚合物充填材料的蠕變性能，并采用數(shù)值模擬軟件分析矸石聚合物不同級配的細觀演化規(guī)律。

1 聚合物的特性及選取

聚合物材料作為一種高分子量的化合物，通常而言具有較大的相對分子質量，并且其特殊的分子結構使得其具有許多常規(guī)材料無法匹及的優(yōu)良性能。其固體及溶液通?？梢员憩F(xiàn)出黏彈性的特征，并且在特殊條件下又可以顯現(xiàn)出高彈性的特征。

與其他材料摻合后，聚合物具有三大重要特征：拌合性、硬化性、耐久性。如合成樹脂乳液類聚合物加入到拌和體系中，聚合物具有表面活化作用，因而混合體系往往具有良好的拌和性和工作性，整個聚合物體系的流動性將大大提高；環(huán)氧樹脂乳液作為常用的聚合物品種，摻入環(huán)氧樹脂的混合體具有良好的黏結性以及優(yōu)良的機械性能和耐腐蝕性能等；聚乙烯醇類聚合物可以提供良好的施工操作性和保水性，改善混合體的黏結性及彌補基體中微觀結構缺陷，防止微裂紋的產生或擴展；丁苯乳液兼具橡膠和塑料的特點及性能，表現(xiàn)出良好的附著力以及耐熱性、耐腐蝕性，其所具有的優(yōu)良黏結性廣泛應用于水泥混凝土等的改性。氯丁膠乳在實際工程中也得到了廣泛的應用，在混合體系中表現(xiàn)出粘合能力、強度及成膜性能；丙烯酸酯乳液具有較好的黏結性、耐堿性等性能，同時其制備過程較為簡便并且聚合特性較好。

因此聚合物的特性決定著聚合物混合體系的性能，根據所要達到的應用效果選擇合適的聚合物是保證工程實際應用效果的前提條件。為保證充填材料的充填質量，基于聚合物的來源，成本及性能，選用的試驗聚合物為：丁苯乳液、氯丁膠乳和丙烯酸酯。

2 矸石充填材料承載特性分析

2.1 不同級配矸石承載特征分析

矸石作為固體充填材料的主體，在承壓過程中，內部顆粒會發(fā)生破碎，進而影響充填體的抗變形能力，矸石的粒徑、級配是影響矸石充填體壓實性能的重要因素。根據李巍[18]、孔國強等[19]所做的矸石級配試驗，矸石粒徑見表1，得到了各級配對應的應變關系，即粒徑均勻級配<大粒徑占比較多的均勻級配<小粒徑級配<大粒徑級配的變化規(guī)律。試樣整體的承載能力與粒徑的相互組合有關，其中平均級配的抗變形能力最好。即在此基礎上，采用平均級配，并用數(shù)值模擬的方法研究不同最大粒徑的矸石充填體抗變形能力。

表1 試樣粒徑級配

2.2 不同最大粒徑模型的細觀演化規(guī)律

為研究不同粒徑范圍顆粒對充填體模型整體壓實變形細觀演化的影響，分別對0～20、0～30、0～40 mm三組不同最大粒徑平均級配的矸石充填體模型進行數(shù)值壓實試驗，分析大粒徑顆粒的添加對矸石充填體模型數(shù)值壓實試驗過程中應力應變曲線關系及力鏈、裂紋演化等細觀參數(shù)的影響規(guī)律，結合充填開采現(xiàn)場的實際工況，采用PFC2D進行數(shù)值模擬時設定邊界剛度為109 N/m，建立高200 mm、直徑250 mm的墻體模擬數(shù)值模型的邊界，形成一個封閉的矩形空間用于生成模型，顆粒級配為平均分布，模型建立如圖1所示。

圖1 柔性簇顆粒模型創(chuàng)建Fig.1 Creation of flexible cluster particle model

通過“試錯法”的方式不斷對柔性簇模型細觀參數(shù)進行調整與平衡，直到數(shù)值試驗與室內試驗結果較為吻合。通過標定的細觀參數(shù)運行調試模型加載至25 MPa，對比室內試驗應力-應變曲線確定細觀參數(shù)，細觀參數(shù)見表2。數(shù)值模擬選用夯實應力2 MPa和最終加載應力25 MPa，分析3種不同最大粒徑平均級配的模型在這2種應力作用下的演化規(guī)律。模型在2 MPa和25 MPa下的整體壓實變形情況如圖2、3所示。

表2 數(shù)值模型細觀參數(shù)

圖2 2 MPa下不同最大粒徑柔性簇充填體壓實模型Fig.2 2 MPa compaction model of flexible cluster backfill with different maximum particle sizes

圖3 25 MPa下不同最大粒徑柔性簇充填體壓實模型Fig.3 25 MPa compaction model of flexible cluster backfill with different maximum particle sizes

不同最大粒徑平均級配的柔性簇充填體模型壓實裂紋分布及角度統(tǒng)計如圖4所示，通過圖示對比可以發(fā)現(xiàn)最大粒徑為20 mm的均勻級配模型裂紋數(shù)量相對較少，這是因為模型整體粒徑偏小，顆粒破碎效應相對較弱。對于最大粒徑為40 mm的模型，相較于0～30 mm模型的顆粒粒徑分布更大，但從裂隙層面來說這2種較大粒徑級配柔性簇模型裂隙發(fā)育相差并不大，且裂隙主要分布在大顆粒附近。

圖4 不同最大粒徑柔性簇充填體模型裂隙演化及其角度統(tǒng)計Fig.4 Fracture evolution and angle statistics of flexible cluster backfill models with different maximum grain sizes

不同最大粒徑柔性簇充填體模型在夯實壓力2 MPa及最終加載力25 MPa下的力鏈演化情況如圖5所示，通過不同粒徑柔性簇充填體模型力鏈分布圖觀察得到，3種模型在壓實過程的力鏈演化規(guī)律基本一致。初始狀態(tài)模型內部無壓實應力作用時力鏈主要集中在一些較大顆粒附近，且力鏈分布稀疏，顏色較淺。隨著軸向應力的不斷增大，顆粒的破碎錯動填充模型使整體密實程度增高，力鏈貫穿整個充填體模型并形成穩(wěn)定的骨架力鏈結構，此時整個模型力鏈顏色較深且分布狀態(tài)較為穩(wěn)定。對于不同最大粒徑的柔性簇模型，力鏈演化的差別主要在于接觸類型分布，通過統(tǒng)計可以發(fā)現(xiàn)隨著最大粒徑的增大柔性簇模型中平行黏結模型數(shù)量逐漸增多，相對的線性接觸模型數(shù)量減少，而力鏈則主要分布在有平行黏結模型的大顆粒處，因此隨著顆粒粒徑的增大，模型骨架力鏈強度逐步增大，抗變形能力也會更強。

圖5 不同最大粒徑柔性簇充填體模型力鏈演化分布Fig.5 Force chain evolution of flexible cluster filling models with different maximum particle sizes

由上述數(shù)值模擬分析可知，隨著粒徑的增大，模型裂紋分布也會逐漸增多。但模型抗變形能力的關鍵更多在于整體的骨架結構，力鏈首先主要集中在顆粒較大的單元附近，而隨著顆粒粒徑的增大，力鏈骨架結構更強，分布更合理，整體的抗變形能力也會更強。因此制備矸石聚合物充填材料時采用0～40 mm粒徑平均級配的矸石進行試驗。

3 矸石聚合物側限壓縮試驗分析

利用聚合物流動性好、黏結性強，在一定條件下具有溶脹性這些優(yōu)點，將0～40 mm平均級配矸石與聚合物摻混，通過多種聚合物篩選和調配充填材料各組分配比，采用室內試驗分析不同配比下材料的變形規(guī)律，測試不同聚合物-矸石充填材料的承載壓縮特性。

采用YNS2000伺服壓力萬能試驗機進行壓實試驗，如圖6所示。針對所取試驗材料設計壓實鋼筒進行壓實試驗，根據文獻設計原理，鋼筒高310 mm，內徑為250 mm、壁厚為12.5 mm，如圖7所示。為提高充填效果，需要對充填體進行2 MPa的夯實處理[20]。壓實特性試驗加載速率設置為1 mm/min，進行應力從0加載至25 MPa的壓實特性試驗，分析壓實特性試驗在2、25以及2～25 MPa的壓實特性，充填體材料配比見表3。

圖6 YNS2000伺服壓力試驗機Fig.6 YNS2000 servo pressure testing machine

圖7 矸石壓實鋼筒Fig.7 Gangue compaction steel cylinder

表3 充填體組分配比

對4種配方的矸石充填體進行側限壓縮試驗，試驗結果如圖8所示。由圖8可知，矸石聚合物充填體在軸向壓實過程中，隨著軸向壓力的增大其應變值也隨之增加，前期增速較快而后逐漸趨于平緩。隨著荷載的逐漸增大顆粒逐漸發(fā)生破碎進而使得空隙進一步被填充，但矸石的應變變化隨著應力增加逐漸減緩。通過同一摻量不同聚合物類型矸石聚合物充填體壓實特性試驗曲線對比可以直觀發(fā)現(xiàn)，在應力達到2 MPa時，摻丁苯乳液的充填體的應變?yōu)?.016 04，摻加丙烯酸酯充填體的應變?yōu)?.016 98，摻加氯丁乳液充填體的應變?yōu)?.016 61，其結果相差較小，造成這種趨勢的原因是經初步壓實后矸石體間仍存在較多內部空隙，施加壓力后空隙不斷填充導致壓縮量增速較快。在應力達到25 MPa時，摻丁苯乳液充填體的應變比未摻聚合物充填體的應變降低了59%，摻丙烯酸酯充填體的應變比未摻充填體的應變降低了50%，摻氯丁乳液充填體的應變比未摻充填體的應變降低了41%，由此得出摻丁苯乳液的矸石充填體具有較好的承載性能，在壓實條件下抵抗變形的性能更好，而摻丙烯酸酯的矸石充填體效果次之，摻氯丁乳液的矸石充填體效果則最弱。

圖8 側限壓縮試驗曲線Fig.8 Confined compression test curve

4 矸石聚合物蠕變性能分析

蠕變是材料經歷瞬時壓實后，在應力水平不變的條件下應變隨時間延長而增加的現(xiàn)象。矸石聚合物充填材料充填至采空區(qū)受上覆巖層長時間作用，研究材料長期變形的大小對分析采空區(qū)的長期穩(wěn)定性具有重要意義。采用分級加載的方式對矸石聚合物充填體的蠕變壓實特性進行研究。根據矸石聚合物瞬時壓實特性試驗的結果及分析，選用摻加了丁苯乳液聚合物的矸石充填體，蠕變壓實試驗分5級加載，加載應力分別為5、10、15、20、25 MPa，研究充填體在不同加載應力下的蠕變特性。蠕變試驗材料配比見表4，試驗結果如圖9所示。

由圖9分析可知，矸石聚合物充填材料表現(xiàn)出明顯的蠕變特性，在相同的應力條件下，不同摻量丁苯乳液的矸石聚合物充填材料的蠕變特性有所區(qū)別。隨著丁苯乳液摻量的增加，矸石聚合物充填材料的蠕變應變隨之減小，在摻量為0.096 kg時，應變的減小幅度最大，表明摻量為0.096 kg時效果最優(yōu)。

圖9 矸石聚合物充填體蠕變試驗曲線Fig.9 Creep test curve of gangue polymer filling body

表4 蠕變試驗材料配比

矸石聚合物充填材料蠕變性能主要表現(xiàn)為衰減蠕變壓縮階段與穩(wěn)定蠕變壓縮階段，未出現(xiàn)明顯的加速蠕變壓縮階段。但矸石聚合物充填材料在蠕變壓縮過程中，顆粒之間容易發(fā)生破碎與滑移等現(xiàn)象，其隨時間變化的蠕變效應較為顯著。

采用陳氏加載法對摻量為0.096 kg的矸石聚合物進行處理，得到矸石聚合物在不同加載應力下的蠕變曲線，并分析其瞬時以及蠕變壓縮應變的變化規(guī)律。陳氏數(shù)據處理方法得到的矸石聚合物蠕變曲線如圖10所示，壓實蠕變特性指標見表5。

圖10 陳氏法處理矸石聚合物蠕變曲線Fig.10 Creep curve of Chen’s method fortreating gangue polymer

通過表5與圖10的觀察分析可知，當蠕變試驗加載應力從5 MPa加到10 MPa時，其瞬時應變及蠕變應變改變的比例是最大的，而在10 MPa之后，隨著加載應力的增加，其瞬時變形和蠕變變形的改變量所占其相應變形的比值則越來越小。因此該聚合物矸石充填材料在應力大于10 MPa時蠕變性能相對較為穩(wěn)定，對于我國東部地區(qū)大多數(shù)位于400 m以下，地壓普遍大于10 MPa的充填采空區(qū)來說，該充填材料較為合適。在進行充填開采時，充填成本是必須考慮的一個重要因素，純充填煤矸石的充填成本為40～50元/t煤，充填矸石聚合物的充填成本較純充填煤矸石增加了10%，可有效控制地表的沉降，經濟效益顯著。

表5 矸石聚合物充填體壓實蠕變特性指標

5 結 論

1)平均級配的矸石充填體的抗變形能力較強。通過數(shù)值模擬對3種最大粒徑的平均級配矸石模型進行細觀分析得到，粒徑為40 mm矸石充填體內部的力鏈骨架分布更合理，整體抗變形能力最強。

2)矸石聚合物充填體在軸向壓實過程中，隨著軸向壓力的增大其應變值也隨之增加，前期增速較快而后逐漸趨于平緩。摻加了丁苯乳液的矸石充填體具有較好的承載性能，在壓實條件下抵抗變形的性能最優(yōu)，而摻加丙烯酸酯的矸石充填體效果次之，氯丁乳液作用效果則最弱。

3)隨著丁苯乳液摻量的增加，矸石聚合物充填體的蠕變應變隨之減小，在摻量為0.096 kg時，應變的減小幅度最大。對于同一摻量的矸石聚合物，加載應力從5 MPa到10 MPa時，其瞬時應變及蠕變應變改變量的所占比例最大，應力大于10 MPa時，應變差值占比減小，蠕變性能相對穩(wěn)定，該充填材料適用于大多數(shù)我國東部400 m以下、地壓大于10 MPa的采空區(qū)。