不同粒径对膏体性质的影响

摘 要：膏体充填能有效的较少地面沉降，膏体的性质影响着膏体充填开采的效果，文章以不同粒径的膏体为研究对象，研究不同粒径对膏体充填材料的影响。研究结果表明：膏体充填材料中粒径越小，膏体充填材料的抗压强度越高；其残余应力随着粒径的增大而变小；裂隙的分维值越大，其裂隙越发育，分维值随着粒径的增大而增大，其裂纹发育程度越高。

关键词：膏体充填；抗压强度；分维值

随着资源的不断开采，传统的顶板垮落法开采方法开采后将引起地面的沉降，对地面的建筑物、铁路、公路等造成破坏，膏体充填开采能有效减少地面的沉降，膏体充填开采上覆岩层的活动规律将影响地面建筑物的稳定性，膏体充填材料的力学性能直接影响充填开采的效果[1]，为此，本文通过不同粒径的矸石对膏体材料的影响规律进行研究，得出其变化规律。

目前不少学者进行了研究，赵才智[2]等对膏体充填材料力学性能进行了初步实验，介绍了一种适合于煤矿膏体充填的专用膏体胶结料；戚庭野[3]等对煤矿膏体充填材料性能随龄期变化进行了研究，对固定配比CPBM在不同龄期的抗压强度、孔隙率和电阻率性能进行了研究，对抗压强度、孔隙率、电阻率和水化过程之间的相关性进行了深入探讨；张新国[4]等研究了膏体充填材料性能影响因素，研究了膏体充填材料性能的主要影响因素。但分析不同粒径的矸石对膏体特性、规律的影响研究相对较少，基于此本文以不同粒径的矸石对膏体材料的影响为研究对象，以探讨其变化规律。

膏体充填材料组成

实验所用膏体充填材料由不同粒径的矸石粉、32.5R硅酸盐水泥和水组成。将矸石放入粉碎机打碎，然后使用振动筛分出不同粒径的矸石粉，0～5mm为细矸石集料，5～10mm为中矸石集料，100～15mm为粗矸石集料，根据要求制作不同粒径矸石的50×100mm膏体试件，将膏体试件放于标准养护箱内进行养护，然后放于电液伺服岩石力学试验机上进行不同粒径矸石膏体强度实验。

不同粒径矸石的膏体充填材料力学性能实验结果与分析

如图1、图2所示将矸石粉与水泥混合制作成膏体材料试件，研究不同矸石粉粒径对膏体充填材料力学影响，得到膏体充填材料的单轴应力—应变曲线。

如图3和表1所示可以看出膏体充填材料应力-应变曲线的变化规律：

（1）膏体充填材料中矸石粉粒径越小，膏体充填材料的抗压强度越高。矸石粒径0～5mm的膏体充填材料试件矸石颗粒与水泥接触的表面积大，试件内部完整程度高，承载能力大；粒径为10～15mm的膏体充填材料试件粒径较大，矸石颗粒与水泥接触时的表面积较小，试件内部完成程度较低，承载能力相对较小。

（2）膏体充填材料单轴应力-应变曲线开始阶段曲线近似为直线，斜率为常数，主要是因为在制作过程中对试件施加一定的压力，使试件成型，在加压的过程中，试件的孔隙、裂隙被压密、压实，因此曲线不会上弯。

（3）膏体充填材料达到峰值后，孔隙相互贯通，形成宏观裂纹，造成试件承载能力降低。

（4）膏体充填材料试件峰值后仍有一定的承载能力，其残余应力随粒径增大而变小。

（5）如表2和图4所示得到：试件的单轴抗压强度和残余强度曲线可以进行拟合，拟合关系可以表示为y=ax2+bx+c，其中公式中的a、b、c需要根据具体粒径的矸石参数来确定。

不同粒径矸石膏体裂纹的分形特征

分形维数的计算

分形理论于20世纪70年代由Mandelbrot创立，其研究对象为自然界和社会生活中广泛存在的无序而具有相似性的系统。现已有十多种不同的维数，包括盒子维，信息维等。

膏体充填材料在单轴受压作用是产生的裂纹为不规则的，但是裂纹又具有一定自相似的几何体视为分形体。对膏体充填材料受压产生的裂纹采用盒维数来表征分形特征。

膏体充填材料裂纹的分形分析

利用数值计算软件模拟膏体充填材料单轴压缩过程，当试件宏观裂纹形成后，截取裂纹图形，然后根据盒维数的计算原理，利用Fractalfox分析软件对不同粒径膏体的宏观裂纹进行分形维数计算，如图5所示为膏体形成的宏观裂纹，如图6所示为膏体裂纹分形维数示意图，图中横坐标表示盒子尺寸，纵坐标表示盒子尺寸占据的盒子数，图中拟合直线斜率为裂纹的分形维数，r为拟合直线的系数。

如图5、图6和表3所示可以看出不同粒径下膏体充填材料裂纹分形维数的变化规律：

（1）从图5可以得到，膏体裂纹的方向大致成45°，且粒径越小，裂纹越小，主要原因是粒径小，颗粒的表面积大，与水泥能充分接触，抵抗破坏的能力强。

（2）从图6和表3可以得到，裂隙的分维值越大，其裂隙越发育，分维值随着粒径的增大而增大，其裂纹发育程度越高。

结论

以不同粒径的矸石膏体为研究对象，通过单轴压缩试验研究了不同粒径条件下膏体的力学变化规律 ，利用分形软件对了膏体宏观裂纹发育程度进行了研究，得到主要结论如下：（1）对不同粒径的膏体试件进行单轴压缩试验，膏体充填材料中矸石粉粒径越小，膏体充填材料的抗压强度越高；（2）膏体充填材料单轴应力-应变曲线开始阶段曲线近似为直线，曲线斜率为常数，主要是膏体试件在制作过程中对试件施加一定的压力，试件的孔隙、裂隙被压密、压实；（3）膏体充填材料试件峰值后仍就有一定的承载能力，其残余应力随着粒径的增大而变小；（4）利用分析软件对不同粒径膏体试件的裂纹进行分析，裂隙的分维值越大，其裂隙越发育，分维值随着粒径的增大而增大，其裂纹发育程度越高。

参考文献：

[1]郑保才，周华强，何荣军.煤矸石膏体充填材料的试验研究[J].采矿与安全工程学报，2006，23（4）：460-463.

[2]趙才智，周华强，等.膏体充填材料力学性能的初步实验[J].中国矿业大学学报，2004，33（2）：159-161.

[3]戚庭野，国瑞，郭育霞，等.煤矿膏体充填材料性能随龄期变化的试验研究[J].采矿与安全工程学报，2015，32（1）：42-48.

[4]张新国，王华玲，等.膏体充填材料性能影响因素试验研究[J].山东科技大学学报，2012，31（3）：53-58.

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