廢矸石改進(jìn)的豆礫石作為煤礦TBM壁后充填材料力學(xué)性能探究摘""要：以廢矸石為粗骨料加水泥混合漿液制備盾尾間隙充填材料。研究不同水灰比與不同外加劑配比下充填材料在不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間（1"d、7"d、14"d），單軸抗壓強(qiáng)度的變化，結(jié)果表明：廢矸石改進(jìn)豆礫石作為粗骨料使得充填材料壓密階段增長(zhǎng)，表現(xiàn)出一定的延性，材料抗壓強(qiáng)度提高。隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增長(zhǎng)，充填材料抗壓強(qiáng)度增高。當(dāng)外加劑按一定配比加入混合漿液，充填材料早期強(qiáng)度提升且抗壓強(qiáng)度峰值提高，達(dá)到早強(qiáng)高強(qiáng)的效果。隨著矸石的加入與漿液交互補(bǔ)強(qiáng)，承載機(jī)制包括矸石嚙合、粘結(jié)補(bǔ)強(qiáng)和膠結(jié)固化3個(gè)重要過(guò)程。在壓實(shí)過(guò)程中應(yīng)力-應(yīng)變曲線出現(xiàn)孔隙壓密、滑移調(diào)整和破碎重構(gòu)3個(gè)階段。關(guān)鍵詞：廢矸石"固廢充填"抗壓強(qiáng)度"注漿材料"力學(xué)性能中圖分類號(hào)："TD82Study"on"Mechanical"Properties"of"of"Pea"Gravel"Improved"from"Waste"Gangue"as"Backfilling"Material"for"Coal"Mine"TBM"WallsMAO"An1""TANG"Bin1，"2"*""LI"Hongliang3""HOU"Junling4""TAO"Wenbin51."School"of"Civil"Engineering"and"Architecture，"Anhui"University"of"Science"and"Technology，"Huainan，"Anhui"Province，"232001"China;"2.State"Key"Laboratory"of"Mining"Response"and"Disaster"Prevention"and"Control"in"Deep"Coal"Mine"of"Anhui"University"of"Science"and"Technology，"Huainan，"Anhui"Province，"232001"China;"3.Huainan"Mining"（"Group"）"Co.，"Ltd.，"Huainan，"Anhui"Province，"2320013"China;"4.School"of"Vanadium"and"Titanium，"Panzhihua"University，"Panzhihua，"Sichuan"Province，"617000"China;"5.Anhui"Transport"Consulting"and"Design"Institute"Co.，"Ltd.，"Hefei，"Anhui"Province，"230088"ChinaAbsrtact："The"shield"tail"gap"filling"material"was"prepared"by"using"waste"gangue"as"coarse"aggregate"and"cement"mixed"slurry."The"changes"of"uniaxial"compressive"strength"of"filling"materials"under"different"water-cement"ratios"and"different"admixture"ratios"under"different"curing"time"（"1d，"7d，"14d"）"were"studied."The"results"show"that"the"improvement"of"pea"gravel"as"coarse"aggregate"using"waste"gangue"results"in"an"increase"in"the"compaction"stage"of"the"filling"material，"showing"a"certain"ductility，"and"the"compressive"strength"of"materials"increases."With"the"increase"of"maintenance"time，"the"compressive"strength"of"filling"material"increases."When"the"admixture"is"added"to"the"mixed"slurry"according"to"a"certain"ratio，"the"early"strength"of"the"filling"material"can"be"improved"and"the"peak"value"can"be"increased"to"achieve"the"effect"of"early"strength"and"high"strength."With"the"addition"of"gangue"and"the"interaction"of"slurry"reinforcement，"the"bearing"mechanism"includes"three"important"processes："gangue"meshing，"bonding"reinforcement"and"cementation"curing."During"the"compaction"process，"the"stress-strain"curve"appears"three"stages"of"pore"compaction，"slip"adjustment"and"fracture"reconstruction.Key"Words："Waste"gangue;"Solid"waste"filling;"Compressive"strength;"Grouting"material;"Mechanical"properties隨著煤礦需求量的增加，對(duì)于施工現(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)生廢料的處理一直是人們探討的問(wèn)題[1-2]，常西坤等人[3]就廢棄物循環(huán)再利用研究不同石膏水泥比、粉煤灰水泥比和矸石漿液比下充填體抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律，"深部煤礦巷道開采過(guò)程中產(chǎn)生的廢矸石進(jìn)行處理再投入巷道支護(hù)中，避免了廢料的堆積，節(jié)省了施工材料[4]。楊科等人[5]設(shè)計(jì)了不同粉煤灰摻量的加漿改性固體充填材料壓實(shí)試驗(yàn)，為充填材料后期強(qiáng)度的提高及充填成本的降低提供理論和數(shù)據(jù)支撐。Tong"Z等人[6]考慮混凝土強(qiáng)度等級(jí)和煤矸石替代率，對(duì)煤矸石砂混凝土的力學(xué)性能和環(huán)境性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和理論研究。SHEN"L.L等人[7]提出用6種添加劑制備高含水煤泥水基膠凝材料，以粘結(jié)煤泥顆粒，改善其力學(xué)性能。念騰飛等人[8]采用蒙特卡洛算法生成隨機(jī)的不規(guī)則包圍盒再利用ODEC算法對(duì)生成的包圍盒進(jìn)行填充進(jìn)而生成不規(guī)則的骨料。楊彥海等人[9]采用CT對(duì)混合料進(jìn)行三維重造，獲取數(shù)字圖像信息導(dǎo)入軟件進(jìn)行掃描得到集料模型探究不同長(zhǎng)寬比、高寬比對(duì)混合料強(qiáng)度的影響。本文采取現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)合的方式，采用單軸壓縮試驗(yàn)探討不同配比以及養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)于混合漿液的力學(xué)性能的影響。1"單軸壓縮試驗(yàn)1.1""試件制備在深部巷道掘進(jìn)工作面取廢矸石樣本作為豆礫石，試驗(yàn)室進(jìn)行篩分處理，得到直徑5～10"mm豆礫石作為粗骨料，試塊尺寸為100"mm×100"mm×100"mm的立方體。在標(biāo)準(zhǔn)條件下分別養(yǎng)護(hù)1"d、7"d、14"d后取出。1.2"原材料與配合比設(shè)計(jì)本文試驗(yàn)所用材料有：P42.5混凝土、廢矸石（5～10"mm）、膨脹劑、早強(qiáng)劑、減水劑（如圖1所示）。按照設(shè)計(jì)配比（見表1）。進(jìn)行試塊的制備，試塊澆筑完成后進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，分批分次進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)。1.3""試驗(yàn)設(shè)備和方案試驗(yàn)采用WAW-1000萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)如圖2所示。圖2"""WAW-1000萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)單軸壓縮試驗(yàn)采用WAW-1000萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)及儀器操作規(guī)程進(jìn)行，采用位移控制加載方法，軸向加載速率1"mm/min，加載至試件產(chǎn)生裂紋，發(fā)生破壞停止。系統(tǒng)記錄加載過(guò)程中的力和位移等數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理得到應(yīng)力-應(yīng)變曲線。試樣峰值強(qiáng)度即為單軸抗壓強(qiáng)度。按照配比以及養(yǎng)護(hù)時(shí)間依次進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，具體試驗(yàn)步驟如下。（1）按照分組和養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)試件進(jìn)行標(biāo)號(hào)，處理試塊表面，清理試驗(yàn)儀器平臺(tái)減小誤差。（2）調(diào)整試驗(yàn)儀器讓加載設(shè)備與試塊緊密貼合。（3）準(zhǔn)備工作完成后，試驗(yàn)機(jī)選用位移控制，采用1"mm/min的軸向位移加載使試件破壞，記錄試件試驗(yàn)數(shù)據(jù)。2""試驗(yàn)結(jié)果與討論2.1""試驗(yàn)數(shù)據(jù)試塊單軸抗壓性能研究按照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T"50081-2002）"的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行。通過(guò)單軸抗壓試驗(yàn)得出填充材料試塊的抗壓強(qiáng)度、彈性模量、變形模量等?？箟涸嚰捎贸叽?00"mm×100"mm×100"mm"立方體試塊每組澆筑三塊，分別對(duì)養(yǎng)護(hù)時(shí)間為1"d、7"d、14"d的試塊進(jìn)行單軸抗壓試驗(yàn)，結(jié)果見表2。2.2""不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間下充填材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線不同配比和養(yǎng)護(hù)時(shí)間下室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。其中，圖4（a）為6種配比在不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間下的單軸抗壓強(qiáng)度，圖4（b）為配比1-3在不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間下單軸加載試驗(yàn)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。由圖4可見，充填材料剪切位移曲線均為應(yīng)變軟化型曲線，所以不同養(yǎng)護(hù)天數(shù)下應(yīng)力-應(yīng)變曲線走勢(shì)基本一致，隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間增加峰值應(yīng)力提高。試塊隨著軸向位移的增加呈現(xiàn)出明顯的壓密階段，此時(shí)曲線相對(duì)平緩，隨后出現(xiàn)彈性階段應(yīng)力隨軸向位移的增加而快速增加、裂縫開展階段、破壞階段達(dá)到峰值后急劇下降，隨后趨于平穩(wěn)。（1）壓密階段（OA），由于充填豆礫石的粒徑和占比不變，所以隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增長(zhǎng)壓密階段長(zhǎng)度基本不變，但隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增長(zhǎng)壓密階段切線模量增大。（2）彈性變形階段（AB），該階段加載力較小，粗骨料產(chǎn)生彈性變形，試件內(nèi)部缺陷發(fā)展緩慢，曲線走勢(shì)呈線性關(guān)系。（3）裂縫發(fā)展階段（BC），隨著軸向加載力的不斷增大，試塊內(nèi)部的空隙逐漸壓實(shí)壓密，開始出現(xiàn)裂紋并快速發(fā)展，直至承載力達(dá)到峰值，切向模量隨著應(yīng)變的增加在峰值點(diǎn)C降為0。（4）破壞階段（CD），到達(dá)峰值應(yīng)力C后，試塊表面裂紋急速發(fā)展，試塊表面出現(xiàn)多道豎向裂紋，隨著裂紋的增多，試塊開始由兩邊向中間脫落。應(yīng)力峰值差別輕微，與配比與養(yǎng)護(hù)時(shí)間有關(guān)。應(yīng)力峰值隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加而增大，同時(shí)壓力的峰值也更快地達(dá)到，貼合工程實(shí)際所需要的早強(qiáng)與高強(qiáng)要求。本文制作了不同水灰比、外加劑摻量、養(yǎng)護(hù)時(shí)間的試塊，進(jìn)行單軸壓縮實(shí)驗(yàn)，得出以下結(jié)論。（1）外加劑的添加和養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長(zhǎng)都會(huì)增強(qiáng)試塊的單軸抗壓強(qiáng)度，1～14"d單軸抗壓強(qiáng)度最高增加32.2%。相同養(yǎng)護(hù)天數(shù)下，不同配比外加劑的試塊單軸抗壓強(qiáng)度最高提升24.3"MPa。（2）當(dāng)水灰比為0.5，外加劑摻量分別為膨脹劑7%、早強(qiáng)劑5%、減水劑0.6%時(shí)，試塊表現(xiàn)出的單軸抗壓強(qiáng)度最高，隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增強(qiáng)單軸抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)速率最快，在壓密階段后強(qiáng)度增長(zhǎng)速度更快，單軸抗壓強(qiáng)度峰值更高，達(dá)到峰值的時(shí)間更短，符合實(shí)際工程需求。[1]劉峰，郭林峰，趙路正.雙碳背景下煤炭安全區(qū)間與綠色低碳技術(shù)路徑[J].煤炭學(xué)報(bào)，2022，47（1）：1-15[2]張吉雄，張強(qiáng)，周楠，等.煤基固廢充填開采技術(shù)研究進(jìn)展與展望[J].煤炭學(xué)報(bào)，2022，47（12）：4167-4181[3]常西坤，范津萌，王中青，等.基于無(wú)廢企業(yè)工業(yè)廢料充填體強(qiáng)度與材料配比優(yōu)化研究[J].煤炭技術(shù)，2024，43（5）：45-49.[4]朱磊，古文哲，袁超峰，等.煤矸石漿體充填技術(shù)應(yīng)用與展望[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2024，52（4）：93-104.[5]楊科，方玨靜，張吉雄，等.加漿改性固體充填材料承載壓縮特性與固結(jié)機(jī)制[J].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2024，53（3）：456-468.[6]"ZHANG"T，WEN"Q，GAO"S，et"al.Comparative"study"on"mechanical"and"environmental"properties"of"coal"gangue"sand"concrete[J].Construction"and"Building"Materials，2023，400：132646.[7]"SHEN"L"L，LAI"W，ZHANG"J，et"al.Mechanical"properties"and"micro"characterization"of"coal"slime"water-based"cementitious"material-gangue"filling：A"novel"method"for"co-treatment"of"mining"waste