淺析尾礦壓實特性的影響因素

修宗甲

（中國冶金地質總局一局五二〇隊，河北 邢臺 054001）

0 前言

煤礦開采時，尾礦大量堆放，侵占大量的土地并且使礦區環境受到極大的破壞，影響地表植被的生長與發育；尾礦堆放不穩定，容易出現滑塌和潰壩事故[1-2]。我國存在大量的“三下”壓煤，進行開采時，導致地表沉陷，路基沉降、建筑物墻體開裂等[3]。將尾礦對采空區進行充填，不僅可以消除尾礦對環境的影響，還可以有效地控制地表沉陷問題。關于充填材料的研究，國內外積累了不少成功的經驗，如尹裕[4]以高爐水淬渣為主要原料的膠凝材料作為充填材料，馮光明等[5]以新型超高水材料作為充填材料，王朝近等[6]以電廠粉煤灰為主要原料制備充填材料。而關于尾礦用于充填的研究很少，因此開展尾礦充填研究有很重要的社會意義。

1 試驗方法

為了研究在不同加水量、石灰量下尾礦混和料的應變和變形模量的變化規律，設計石灰含量分別為10%、20%、30%的尾礦混和料進行試驗，尾礦自然含水率為4.73%，每個配比做3 次平行試驗，最終取3 次試驗的平均值。配比方案見表1。

表1 尾礦混合料加水配比方案

試驗模具，采用低碳鋼制作一內徑為220 mm 的圓筒，活塞直徑為220 mm，實驗裝料高度約為170 mm，每組尾礦實驗時加載應力從0 逐漸加載到6 MPa，實驗系統加載速率為0.2 kN/s，儀器軸向活塞最大行程180 mm，試驗模具如圖1所示。作用于混和料的壓力，軸向位移和形變模量均采用全自動數據采集器自動采集。

圖1 實驗裝置

2 實驗結果分析

2.1 應力與應變關系

通過對不同配比的尾礦混和料進行壓實試驗，得到不同影響因素下的材料應力應變曲線區間，對曲線進行擬合后的擬合方程見表2，應力-應變曲線如圖2～圖4 所示。

表2 的結果表明，在3 種石灰配比情況下，尾礦混和料的應力與應變之間呈對數關系，即ε=a+bln（σ+c），擬合相關性好。其中，ε為軸向應變；σ為軸向應力；a、b、c為回歸系數。

從圖中可以看出，在混合料在壓實過程可劃分為3 個壓實階段。1）應力加載初期，應變曲線斜率很大，該階段以散體間隙壓密、顆粒壓實為主。同時受水的影響，加水量越大，該區段的斜率越大，應變速率越快。2）應力在0.5 MPa～2 MPa，應力應變曲線斜率較大，同時，斜率隨著應力增大而減小，軸向應力與應變呈非線性關系；該區段混合料為骨架孔隙結構，加載過程中顆粒被壓碎、壓實，顆粒重組，承載能力進一步加強。3）應力為2 MPa～6 MPa，應變隨著應力增大基本呈線性增長，該階段的尾礦混合料被壓密、壓實，混合料間隙壓到最低，呈現出骨架密實結構，表現出彈性體的特征，承載結構變得穩定。

表2 應力應變關系

另外，圖2～圖4 的結果表明：在同一壓力條件下，加水量越大，材料的應變率越大，即材料的孔隙率越小，密實程度越高。

石灰含量為10%條件下，加水量5%與10%的應力-應變曲線相交；同時，在石灰含量30%條件下，加水量5%和10%的兩條應力應變曲線較為接近。表明存在一個石灰含量與加水量的最優配比關系，可以充分發揮石灰的固化功能。

2.2 應力與變形模量的關系

經過對不同配比的尾礦混和料進行壓實試驗，將得到的試驗數據進行處理，并對應力-變形模量關系進行回歸分析。得到的擬合方程及相關系數見表3，應力-變形模量曲線如圖5～圖7 所示。

圖2 石灰含量為10%的尾礦混和料的應力應變曲線

圖3 石灰含量為20%的尾礦混和料的應力與應變關系曲線

圖4 石灰含量為30%的尾礦混和料的應力與應變關系曲線

表3 應力與變形模量的關系

圖5 石灰含量為10%的尾礦混和料的應力與變形模量關系曲線

圖6 石灰含量為20%的尾礦混和料的應力與變形模量關系曲線

圖7 石灰含量為30%的尾礦混和料的應力與變形模量關系曲線

該文得到的變形模量公式為Es=aσ+b，其中a、b為常數。b反應了材料加載的第一階段，材料固體顆粒間隙壓密、壓實階段的參數，反應了制樣過程中材料的孔隙程度；而a可以看做是材料對正常承載壓力條件下的關系系數，包括彈性形變、壓縮形變等，整體來看，a 值基本隨著含水率的增加而減小。

從圖5～圖7 中可以看出：混和料在壓實過程中，變形模量隨應力的增加而增大。在同等應力狀態下，隨著水量的增加，呈降低趨勢，表明水對尾礦混合料有軟化作用，初試含水率下尾礦混和料顆粒強度相對較高，壓力條件下不易發生破壞，因此表現出尾礦變形模量較大，充填后，初期有利于減緩地表沉陷。當不加水時，尾礦混合料的變形模量隨著石灰含量的增大而增加。而加入水后，石灰含量的變化對材料變形模量的影響較小，基本可以忽略。

3 結論

通過試驗研究，得出以下3 個結論。1）尾礦混和料的應力與應變呈對數關系。加水量對材料應力應變關系有較大影響，加水量越多，應變越大，表明水會加速混合料的變形，在力作用下回加快混合料的密實速率。2）尾礦混和料的應力與變形模量呈線性關系。在一定情況下，水對尾礦本體有一定軟化功能，影響尾礦自身的強度，加水量越多，變形模量越小。3）尾礦混合料壓實過程中3 個不同的階段，即從懸浮結構到骨架孔隙結構，再到骨架密實結構發展，變形模量逐漸增大。