废石干式充填压实力学特征影响因素研究

于悦，罗鼎

干式充填开采是一种以固体废弃物作为充填材料，利用散体堆积形成承压结构的矿山开采技术，其中骨料多采用各种粒径复合的废石。废石属于散体颗粒材料，原始粒径级配较差，孔隙率较高，利用其进行干式充填时易产生较大的位移变形，充填率较低，影响充填效果，因此通过研究废石压实力学特征的影响因素，确定一个合理的废石粒径级配。

当废石及其混合材料进入采空区成为充填体时，水平方向由于受到围岩和支护结构的约束作用，近乎不发生水平位移变形，干式充填材料在上覆岩层及自身重力作用下，垂直方向变形较为明显。因此，在侧向近似完全约束且仅有垂直压力作用下，废石充填材料的压实力学特征在干式充填开采工程实践中受到广泛的关注，干式充填材料的整体充填效果也与其压实力学特征密切相关。压实力学试验是评价散体材料压缩变形、密实程度以及分形特征的基础试验，本文通过孔隙率、密实度以及粒径级配，研究废石干式充填材料压实力学特征的影响因素，得到废石合理的粒径级配，提高整体充填效果。

1．试验方案

1.1废石采集与制备

本章所用干式充填材料，其成分是经过破碎后的废石，直接从鞍山某铁矿进行采集，用以制备干式充填材料的试验试样。试验前，需要将废石进行破碎，首先采用破碎机将废石破碎至粒径50mm以下，再人工破碎至粒径40mm以下，并采用孔径分别为 5mm、10mm、20mm、30mm、40mm 的石子孔径筛进行分级筛选。

1.2试验设备

废石颗粒压实试验所用的单轴压力机为YAD-2000微机控制电液伺服压力机，最大载荷为2000kN，筒内径150mm，最大装料高度125mm。适用于废石最大粒径为40、30、20mm的压缩试验。利用孔径石子筛选出大于40mm的废石后，将40mm之内的废石通过 30、20、10、5mm等5个次级分级筛进行粒径范围分组，后根据试验设计制作废石试样。

1.3废石试样粒径级配设计

Talbot理论设计废石的粒径级配。

Talbot理论公式：

式中：

P—散体各粒径的通过百分率，%；

d—散体中的各粒径，mm；

D—散体的最大粒径，mm；

n—级配系数。

由Talbot理论设计，废石颗粒压实试验设置了最大粒径D分别为 40、30、20mm 三个水平，Talbot系数太大或者太小都不利于研究试样压缩的实际情况，故Talbot系数划分了0.4、0.6、0.8三个水平，两者进行正交试验，可以制作九组Talbot试样。由最大粒径40mm依次向下划分五个粒径范围，利用Talbot公式分别计算出各粒径范围内的废石通过率。

2.废石压缩孔隙率对轴向变形的影响

（1）孔隙率-轴向应变关系

为研究废石试样在侧限轴向压缩状态下，试样轴向变形与废石试样内部孔隙率的关系，分别对轴向应力-孔隙率、轴向应变-孔隙率的关系进行研究。

孔隙率Pk计算公式：

式中：

V—松散状态下废石的表观体积，mL；

V0—废石在绝对密实状态下的绝对体积，mL。

由于压实钢筒内部废石的绝对体积无法直接测量，可以先对试验所用废石的绝对密度ρ0进行测算，后通过计算得出废石的绝对密度。

首先用量杯称取适量的水，记录水的体积读数V1k，后将盛有水的量杯放至在精度为0.001kG的电子秤上进行称重，记录质量读数m1k；然后往量杯中加入适量的废石，使其完全浸没在水中，静置一段时间，待量杯壁上的水滴充分下流，废石颗粒表面没有气泡附着且不再有气泡产生，读取并记录量杯内稳定的液面读数V2k，再次称量总体重量m2k，前后共进行十组测量，记录测量数据后，进行废石绝对密度的计算。

废石绝对密度ρ0计算公式：

（2）孔隙率-轴向应力关系

试验所用12组废石试样重量均为5kg，初始装料高度均为12cm，已知钢筒内径和高度，可以计算得到不同轴向应力所对应的孔隙率大小。由于在侧限轴向压缩过程中轴向应变与轴向应力呈正比例函数关系，因此预计孔隙率会随着轴向应力的增加而减小。

对废石轴向应力-应变曲线进行拟合，得到拟合关系式可知拟合通式为：

可知孔隙率与轴向应力的关系式为：

3.废石压缩密实度对轴向变形的影响

密实度计算公式：

式中：

—散体质量，g;

—散体材料的绝对密度，g/cm3；

—装料高度，cm;

—轴向压缩深度，cm；

—容器横截面积，cm2；

—散体中固体绝对体积，cm3；

—散体在压缩过程中的总体积，cm3;

4.小结

本文通过废石颗粒压实试验，对废石压实力学特征的影响因素进行研究，现得到结论如下：

（1）废石孔隙率随着轴向应变的增大而减小，当轴向应变为0时，初始孔隙率随初始装料高度增加而加大，两者呈正相关。孔隙率与轴向应力呈单调递减的反比例复合函数关系，递减速率逐渐降低；均匀级配试样比不均匀级配试样拥有更高的孔隙率，且大粒径级配试样的最终孔隙率最低。同时试样内部由大、小颗粒组成的多个承压结构共同作用支撑外界轴向压力以及试样自身重力，最终孔隙率越高表明试样内部结构的承载强度更高且更加稳定，具有更好的充填效果。

（2）在自身重力和轴向压力共同作用下，废石试样内部的颗粒间会形成多个强度不同的承压结构，小颗粒间会在试样局部形成支撑强度较弱的结构体，传递较小的外力；大颗粒间多是形成贯通整个试样，且承压能力较强的支撑结构，传递较大的外力，强、弱的承压结构共同支撑整个试样的自身重力和外部压力。当应力超过了临界密实度所对应的轴向应力值时，同等轴向应力条件下，密实程度越低，该试样的轴向应变越低，但试样整体承载强度更好，对比分析十二组轴向应力-密实度曲线，可知试样2的轴向承载强度最好，其粒径级配为n=0.4，D=30mm。

（3）通过离散程度分析最大粒径D和Talbot系数n对轴向应变的交互影响。得出粒径级配组合D=30,n=0.4的压实效果最好，以此设计废石干式充填的粒径级配，可提升充填效果。