冻融循环下纤维改性充填体的力学特性研究.pdf
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1、Series No.569November 2023 金 属 矿 山METAL MINE 总 第569 期2023 年第 11 期收稿日期 2023-08-26基金项目 华能集团总部科技项目(编号:HNKJ21-HF16)。作者简介 惠金卫(1970),男,高级工程师。冻融循环下纤维改性充填体的力学特性研究惠金卫 马小卫 王言龙(华能集团华亭煤业集团有限责任公司山寨煤矿,甘肃 平凉 744000)摘 要 为了有效降低矿山地下采场岩爆灾害、合理控制采场围岩变形,一般采用尾砂充填地下采空区,传统的尾砂强度很难在复杂的地下空间中发挥作用,尤其是高寒高海拔矿区的冻融循环环境,有必要确保冻融环境下的充填
2、体具有良好的力学性能。为研究冻融循环对纤维改性充填体力学行为的影响,首先将不同质量百分比(0、0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%)的纤维与充填料浆混合进行混合,然后对纤维充填体混合物进行 0、5、10、15 次冻融循环,并讨论了纤维改性充填体混合物的坍落度、单轴抗压强度、劈裂抗拉强度随纤维掺量和冻融循环次数的变化趋势。结果表明:循环冻融显著降低了纤维改性充填体混合物的力学性能,纤维的适量掺入对充填体力学性能改善起到了主要作用,纤维掺量为 00.6%时可以有效提高充填体的强度,纤维掺量超过 0.6%时会劣化充填体的力学性能。此外,纤维的掺入极易与充填体内的水分融合而起到固水作用,从
3、而抑制其流动性。关键词 充填开采 纤维掺量 充填体 冻融循环 塌落度 力学性能 中图分类号TD853 文献标志码A 文章编号1001-1250(2023)-11-174-05DOI 10.19614/ki.jsks.202311021Study on Mechanical Properties of Fiber-modified Backfill under Freeze-thaw CycleHUI Jinwei MA Xiaowei WANG Yanlong(Shanzhai Coal Mine,Huaneng Group Huating Coal Industry Group Co.,Lt
4、d.,Pingliang 744000,China)Abstract In order to effectively reduce rock burst disaster in underground stope and reasonably control the deformation of surrounding rock in stope,tailings are generally used to fill underground goaf.The traditional strength of tailings is difficult to play a role in comp
5、lex underground space,especially in the freeze-thaw cycle environment of high-cold and high-altitude mining areas.Therefore,it is necessary to ensure that the backfill in freeze-thaw environment has good mechanical properties.In order to study the effect of freeze-thaw cycle on the mechanical behavi
6、or of the fiber-modified backfill,firstly,the fiber with the per-centage of non-mass(0,0.2%,0.4%,0.6%,0.8%,1.0%)was mixed with the filling slurry for mixing,and then the fiber-backfill mixture was mixed for 0,5,10,15 freeze-thaw cycles.The variation trends of slump,uniaxial compressive strength and
7、splitting tensile strength of fiber-modified backfill mixture with fiber content and number of freeze-thaw cycles were also dis-cussed.The results show that the cyclic freeze-thaw can significantly reduce the mechanical properties of the fiber modified backfill mixture,and the appropriate incorporat
8、ion of fiber plays a major role in improving the mechanical properties of the backfill.When the fiber content is 00.6%,the strength of the backfill can be effectively improved,while when the fiber con-tent is more than 0.6%,the physical properties of the backfill will be degraded.In addition,the inc
9、orporation of fiber is easy to fuse with the water in the filling body and play a role in fixing water,thus inhibiting its fluidity.Keywords filling mining,fiber content,filling body,freeze-thaw cycle,collapse,mechanical property 逐步提升充填体的力学性能,对于确保矿山安全高效开采具有重要意义1-3。利用纤维来逐步改善充填体的力学性能,已经成为一种环境友好且具有良好经济
10、成本的研究思路。在土木工程领域,混凝土作为建筑材料对建筑整体的稳定性和安全性至关重要。现有研究发现,在混凝土中掺入纤维,有助于提升混凝土抗压强度,从而提高混凝土的整体稳定性4。然而,有别于混凝土,充填体的化学成分更为复杂,并且充填作业环境具有特殊性,尤其对于高寒高海拔矿区的充填体会经历不同的冻融循环过程,从而会对充填体的力学性能产生重要影响。因此,有必要针对特定高寒高海拔地区的矿山纤维改性充填体的力学性471能展开研究,为该类矿区充填作业提供科学依据。现阶段,不少学者针对纤维增强充填体强度进行了一定的研究。薛改利5开展了纤维类型和掺量对充填力学性能的影响分析,并讨论了纤维改性充填体的动态响应特
11、征。徐文彬等6开展了纤维增强胶结充填膏体强度的研究,认为纤维的加入可以提高充填体强度。曹帅等7研究了聚丙烯、聚丙烯腈、玻璃纤维等多种纤维在养护早期对充填膏体抗压强度、韧性以及微观结构的影响。薛改利等8针对纤维长度对充填体力学性能的影响进行了研究,认为纤维长度为06 mm 时,充填体抗压强度随着体积比的增加而减小;当纤维长度为 1218 mm 时,充填体强度几乎不随体积比的变化而变化。由此可见,纤维的掺入可以有效提高充填体抗压强度,确保充填体在荷载作用下的稳定性。但由于不少矿山地处高寒高海拔地带,对于冻融循环作用下的纤维改性充填体力学特性的研究有待进一步深入。为研究冻融循环对纤维改性充填体力学行
12、为的影响,本研究将纤维与充填体料浆进行混合,通过一系列正交试验设计,分析不同纤维含量(0、0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%)和不同冻融循环次数(0、5、10、15)对充填体力学特性的影响;然后针对不同工况下的试验结果进行数理统计分析,讨论纤维掺量和冻融循环双因素分别对充填体坍落度和力学性能的影响,研究结果可以为高寒高海拔矿区的充填作业设计提供依据。1 试验分析充填料浆的化学成分见表 1,试验采用聚丙烯纤维的基本物理参数见表 2。在本试验中,纤维平均长度为 3 mm,直径为 18 mm,断裂强度为 320 MPa,弹性模量为 3.5 GPa,密度为 900 kg/m3,耐酸碱性能
13、较好,吸水性较差,没有毒性,且具有较高的弹性模量及断裂强度。当纤维掺量增加到水泥和尾砂质量总和的 0.25%0.75%时,充填体的抗压强度能够得到显著提高,因此本研究采用的纤维掺量分别为尾砂和水泥总质量的 0、0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%。表 1 充填料浆化学成分Table 1 Chemical composition of filling material%原料化学成分SiO2Al2O3Fe2O3MgOCaOK2OTiO2MnO其他充填尾砂40.253.6812.2632.443.700.380.2807.01选矿矿渣36.808.423.849.6637.280.460
14、.860.801.88水泥材料28.0611.662.662.4848.301.120.580.105.04表 2 纤维物理力学参数Table 2 Physical and mechanical parameters of fiber长度/mm直径/mm断裂强度/MPa弹性模量/GPa密度/(kg/m3)延展性/%含量/%3183203.5900300、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 本研究针对不同纤维掺量和不同循环次数的充填体进行力学性能测试,总体试验方案见表 3。在进行力学试验之前,制备了一系列直径 50 mm、高度100 mm 的圆柱形纤维充填体混合物样品。具体制备过程为:首先,
15、使用抹刀将纤维充填体混合物彻底混合,同时,使用喷雾瓶将按质量计量的水逐渐添加到混合物中;然后,将混合物装入密封袋中至少 24 h,以使土壤水分达到平衡状态;最后,使用本研究纤维改性充填体制备装置将纤维充填体混合物压实,制成标准圆柱体试样9-11。表 3 试验方案设计Table 3 Design of test schemes冻融循环次数纤维掺量/%试验类别00、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0单轴压缩、劈裂试验50、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0单轴压缩、劈裂试验100、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0单轴压缩、劈裂试验150、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0单轴压缩
16、、劈裂试验2 试验结果与讨论2.1 试验测试结果纤维改性充填体的塌落度、单轴抗压强度和劈裂抗拉强度参数能够有效表征充填体的基本力学性能12-13。本研究对不同冻融循环作用下的不同掺量纤维进行单轴抗压试验和劈裂抗拉试验,获取不同工况下试样的单轴抗压强度(UCS)和抗拉强度(STS),试验结果见表 4。为详细分析纤维掺量和冻融循环次数对充填体坍落度、单轴抗压强度和抗拉强度的影响,本研究采用数理统计方法对表 4 所示数据进行分析,得到双因素对充填力学性能影响的极差和方差分析结果见表5。表 5 中,Kij为第 i 个因素在第 j 个水平下测试结果的平均值,可进行如下计算:Kij=nm=1Bij,mn,
17、式中,Bij,m为因素 i 在水平 j 下得出的第 m 个计算结571 惠金卫等:冻融循环下纤维改性充填体的力学特性研究 2023 年第 11 期表 4 纤维改性充填体塌落度及力学性能试验结果Table 4 Slump and strength test results of fiber reinforced backfill试样编号坍落度/cm单轴抗压强度/MPa4 d 7 d 7 d 抗拉强度/MPaNJ-0-020.60.901.800.40NJ-0-0.220.21.002.200.42NJ-0-0.419.61.002.300.50NJ-0-0.619.51.102.400.88NJ
18、-0-0.818.81.052.380.62NJ-0-1.017.21.002.300.58NJ-5-0.620.50.952.000.80NJ-10-0.620.60.921.800.70NJ-15-0.620.40.901.600.65 注:NJ-A-B 表示经历 A 次冻融循环的掺量为 B%的充填体试样。果;n 为因素 i 在水平 j 下得到的计算结果个数。表 5 纤维改性充填体塌落度及力学性能极差分析结果Table 5 Range analysis results of slump and strength of fiber reinforced backfill测试指标极差计算值循环
19、次数纤维掺量/%坍落度Ki119.5820.62Ki219.7719.36Ki319.1819.05Ki419.0218.56Rn0.751.06单轴抗压强度Ki10.940.94Ki20.960.90Ki30.970.93Ki40.940.88Rn0.050.04抗拉强度Ki10.580.43Ki20.600.53Ki30.610.88Ki40.650.67Rn0.060.462.2 纤维改性充填体的坍落度分析由表 4 可知:冻融循环次数和纤维掺量双因素对充填体坍落度的影响程度为纤维掺量大于冻融循环次数。随着两种的因素变化,纤维改性坍落度也会发生改变,其趋势如图 1 所示。分析图 1 可知:
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