郑丽辉，周跃进，张雷鸣，毛东桂，马永东

(1.中国矿业大学 深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，江苏 徐州 221116；2.中国矿业大学 力学与土木工程学院，江苏 徐州 221116)

0 引 言

综合机械化固体充填采煤是将煤矸石、粉煤灰、建筑垃圾等固体废弃物密实充填至采空区，不仅实现了“三下”压煤等难开采煤层的高效安全开采，同时有效减少或消除煤炭开采引起的地质灾害与环境污染等问题[1-3]，因此在全国各大矿区得以推广使用。

矸石作为选煤等流程后产生的固体废弃物用来充填采空区，既解决了矸石带来的环境污染问题，又解决了地表沉陷的问题[4-5]。研究表明矸石的级配及不同应力状态表现出不同力学特性，一些研究人员通过室内单轴压缩试验，分析了煤矸石材料在单轴压实状态下其压缩量、泊松比和弹性模量等常规力学参数，并研究了煤矸石材料在压实情况下的变化趋势[6-8]。粉煤灰作为发电厂的固体废弃物，与矸石掺混的充填体压缩变形小于纯矸石的充填体，充填至采空区可有效控制地表的沉降[9]。矸石的级配对矸石充填体变形特性影响较大，连续级配矸石的抗变形能力较强，且粒径组成越均匀，承载压缩率越低。不同级配的矸石承压破碎后，矸石粒径组成相似，且小粒径矸石占比越高，破碎率越低[10-12]。矸石充填体长时间受上覆岩层作用由瞬时压实进入蠕变压实状态，充填体将继续发生缓慢变形，对地表沉陷产生影响并波及地面建筑物的稳定性[13-14]，部分科研人员通过借助自制的散体充填材料双向加载试验系统[15]，采用分级加载方式测试了矸石充填材料承载压缩特性,得到了矸石充填材料在承载过程中的瞬时与蠕变压缩变形规律。针对不同充填深度条件下充填体的不同受力形式及变化特征，通过控制应力水平试验测试分析不同加载应力作用下矸石充填材料蠕变变形的时间相关性特征[16]。基于矸石充填巷道蠕变条件下的变形特征，利用流变力学参数构建了其蠕变条件下的数学表达式，并分析了其特征参数对巷道稳定性的影响规律[17]。

笔者从聚合物的性能方面分析选取了3种聚合物，采用自制承载压缩装置对不同矸石聚合物充填材料进行侧限压缩试验，基于侧限压缩试验结果进一步分析矸石聚合物充填材料的蠕变性能，并采用数值模拟软件分析矸石聚合物不同级配的细观演化规律。

1 聚合物的特性及选取

聚合物材料作为一种高分子量的化合物，通常而言具有较大的相对分子质量，并且其特殊的分子结构使得其具有许多常规材料无法匹及的优良性能。其固体及溶液通常可以表现出黏弹性的特征，并且在特殊条件下又可以显现出高弹性的特征。

与其他材料掺合后，聚合物具有三大重要特征：拌合性、硬化性、耐久性。如合成树脂乳液类聚合物加入到拌和体系中，聚合物具有表面活化作用，因而混合体系往往具有良好的拌和性和工作性，整个聚合物体系的流动性将大大提高；环氧树脂乳液作为常用的聚合物品种，掺入环氧树脂的混合体具有良好的黏结性以及优良的机械性能和耐腐蚀性能等；聚乙烯醇类聚合物可以提供良好的施工操作性和保水性，改善混合体的黏结性及弥补基体中微观结构缺陷，防止微裂纹的产生或扩展；丁苯乳液兼具橡胶和塑料的特点及性能，表现出良好的附着力以及耐热性、耐腐蚀性，其所具有的优良黏结性广泛应用于水泥混凝土等的改性。氯丁胶乳在实际工程中也得到了广泛的应用，在混合体系中表现出粘合能力、强度及成膜性能；丙烯酸酯乳液具有较好的黏结性、耐碱性等性能，同时其制备过程较为简便并且聚合特性较好。

因此聚合物的特性决定着聚合物混合体系的性能，根据所要达到的应用效果选择合适的聚合物是保证工程实际应用效果的前提条件。为保证充填材料的充填质量，基于聚合物的来源，成本及性能，选用的试验聚合物为：丁苯乳液、氯丁胶乳和丙烯酸酯。

2 矸石充填材料承载特性分析

2.1 不同级配矸石承载特征分析

矸石作为固体充填材料的主体，在承压过程中，内部颗粒会发生破碎，进而影响充填体的抗变形能力，矸石的粒径、级配是影响矸石充填体压实性能的重要因素。根据李巍[18]、孔国强等[19]所做的矸石级配试验，矸石粒径见表1，得到了各级配对应的应变关系，即粒径均匀级配<大粒径占比较多的均匀级配<小粒径级配<大粒径级配的变化规律。试样整体的承载能力与粒径的相互组合有关，其中平均级配的抗变形能力最好。即在此基础上，采用平均级配，并用数值模拟的方法研究不同最大粒径的矸石充填体抗变形能力。

表1 试样粒径级配

2.2 不同最大粒径模型的细观演化规律

为研究不同粒径范围颗粒对充填体模型整体压实变形细观演化的影响，分别对0～20、0～30、0～40 mm三组不同最大粒径平均级配的矸石充填体模型进行数值压实试验，分析大粒径颗粒的添加对矸石充填体模型数值压实试验过程中应力应变曲线关系及力链、裂纹演化等细观参数的影响规律，结合充填开采现场的实际工况，采用PFC2D进行数值模拟时设定边界刚度为109 N/m，建立高200 mm、直径250 mm的墙体模拟数值模型的边界，形成一个封闭的矩形空间用于生成模型，颗粒级配为平均分布，模型建立如图1所示。

图1 柔性簇颗粒模型创建Fig.1 Creation of flexible cluster particle model

通过“试错法”的方式不断对柔性簇模型细观参数进行调整与平衡，直到数值试验与室内试验结果较为吻合。通过标定的细观参数运行调试模型加载至25 MPa，对比室内试验应力-应变曲线确定细观参数，细观参数见表2。数值模拟选用夯实应力2 MPa和最终加载应力25 MPa，分析3种不同最大粒径平均级配的模型在这2种应力作用下的演化规律。模型在2 MPa和25 MPa下的整体压实变形情况如图2、3所示。

表2 数值模型细观参数

图2 2 MPa下不同最大粒径柔性簇充填体压实模型Fig.2 2 MPa compaction model of flexible cluster backfill with different maximum particle sizes

图3 25 MPa下不同最大粒径柔性簇充填体压实模型Fig.3 25 MPa compaction model of flexible cluster backfill with different maximum particle sizes

不同最大粒径平均级配的柔性簇充填体模型压实裂纹分布及角度统计如图4所示，通过图示对比可以发现最大粒径为20 mm的均匀级配模型裂纹数量相对较少，这是因为模型整体粒径偏小，颗粒破碎效应相对较弱。对于最大粒径为40 mm的模型，相较于0～30 mm模型的颗粒粒径分布更大，但从裂隙层面来说这2种较大粒径级配柔性簇模型裂隙发育相差并不大，且裂隙主要分布在大颗粒附近。

图4 不同最大粒径柔性簇充填体模型裂隙演化及其角度统计Fig.4 Fracture evolution and angle statistics of flexible cluster backfill models with different maximum grain sizes

不同最大粒径柔性簇充填体模型在夯实压力2 MPa及最终加载力25 MPa下的力链演化情况如图5所示，通过不同粒径柔性簇充填体模型力链分布图观察得到，3种模型在压实过程的力链演化规律基本一致。初始状态模型内部无压实应力作用时力链主要集中在一些较大颗粒附近，且力链分布稀疏，颜色较浅。随着轴向应力的不断增大，颗粒的破碎错动填充模型使整体密实程度增高，力链贯穿整个充填体模型并形成稳定的骨架力链结构，此时整个模型力链颜色较深且分布状态较为稳定。对于不同最大粒径的柔性簇模型，力链演化的差别主要在于接触类型分布，通过统计可以发现随着最大粒径的增大柔性簇模型中平行黏结模型数量逐渐增多，相对的线性接触模型数量减少，而力链则主要分布在有平行黏结模型的大颗粒处，因此随着颗粒粒径的增大，模型骨架力链强度逐步增大，抗变形能力也会更强。

图5 不同最大粒径柔性簇充填体模型力链演化分布Fig.5 Force chain evolution of flexible cluster filling models with different maximum particle sizes

由上述数值模拟分析可知，随着粒径的增大，模型裂纹分布也会逐渐增多。但模型抗变形能力的关键更多在于整体的骨架结构，力链首先主要集中在颗粒较大的单元附近，而随着颗粒粒径的增大，力链骨架结构更强，分布更合理，整体的抗变形能力也会更强。因此制备矸石聚合物充填材料时采用0～40 mm粒径平均级配的矸石进行试验。

3 矸石聚合物侧限压缩试验分析

利用聚合物流动性好、黏结性强，在一定条件下具有溶胀性这些优点，将0～40 mm平均级配矸石与聚合物掺混，通过多种聚合物筛选和调配充填材料各组分配比，采用室内试验分析不同配比下材料的变形规律，测试不同聚合物-矸石充填材料的承载压缩特性。

采用YNS2000伺服压力万能试验机进行压实试验，如图6所示。针对所取试验材料设计压实钢筒进行压实试验，根据文献设计原理，钢筒高310 mm，内径为250 mm、壁厚为12.5 mm，如图7所示。为提高充填效果，需要对充填体进行2 MPa的夯实处理[20]。压实特性试验加载速率设置为1 mm/min，进行应力从0加载至25 MPa的压实特性试验，分析压实特性试验在2、25以及2～25 MPa的压实特性，充填体材料配比见表3。

图6 YNS2000伺服压力试验机Fig.6 YNS2000 servo pressure testing machine

图7 矸石压实钢筒Fig.7 Gangue compaction steel cylinder

表3 充填体组分配比

对4种配方的矸石充填体进行侧限压缩试验，试验结果如图8所示。由图8可知，矸石聚合物充填体在轴向压实过程中，随着轴向压力的增大其应变值也随之增加，前期增速较快而后逐渐趋于平缓。随着荷载的逐渐增大颗粒逐渐发生破碎进而使得空隙进一步被填充，但矸石的应变变化随着应力增加逐渐减缓。通过同一掺量不同聚合物类型矸石聚合物充填体压实特性试验曲线对比可以直观发现，在应力达到2 MPa时，掺丁苯乳液的充填体的应变为0.016 04，掺加丙烯酸酯充填体的应变为0.016 98，掺加氯丁乳液充填体的应变为0.016 61，其结果相差较小，造成这种趋势的原因是经初步压实后矸石体间仍存在较多内部空隙，施加压力后空隙不断填充导致压缩量增速较快。在应力达到25 MPa时，掺丁苯乳液充填体的应变比未掺聚合物充填体的应变降低了59%，掺丙烯酸酯充填体的应变比未掺充填体的应变降低了50%，掺氯丁乳液充填体的应变比未掺充填体的应变降低了41%，由此得出掺丁苯乳液的矸石充填体具有较好的承载性能，在压实条件下抵抗变形的性能更好，而掺丙烯酸酯的矸石充填体效果次之，掺氯丁乳液的矸石充填体效果则最弱。

图8 侧限压缩试验曲线Fig.8 Confined compression test curve

4 矸石聚合物蠕变性能分析

蠕变是材料经历瞬时压实后，在应力水平不变的条件下应变随时间延长而增加的现象。矸石聚合物充填材料充填至采空区受上覆岩层长时间作用，研究材料长期变形的大小对分析采空区的长期稳定性具有重要意义。采用分级加载的方式对矸石聚合物充填体的蠕变压实特性进行研究。根据矸石聚合物瞬时压实特性试验的结果及分析，选用掺加了丁苯乳液聚合物的矸石充填体，蠕变压实试验分5级加载，加载应力分别为5、10、15、20、25 MPa，研究充填体在不同加载应力下的蠕变特性。蠕变试验材料配比见表4，试验结果如图9所示。

由图9分析可知，矸石聚合物充填材料表现出明显的蠕变特性，在相同的应力条件下，不同掺量丁苯乳液的矸石聚合物充填材料的蠕变特性有所区别。随着丁苯乳液掺量的增加，矸石聚合物充填材料的蠕变应变随之减小，在掺量为0.096 kg时，应变的减小幅度最大，表明掺量为0.096 kg时效果最优。

图9 矸石聚合物充填体蠕变试验曲线Fig.9 Creep test curve of gangue polymer filling body

表4 蠕变试验材料配比

矸石聚合物充填材料蠕变性能主要表现为衰减蠕变压缩阶段与稳定蠕变压缩阶段，未出现明显的加速蠕变压缩阶段。但矸石聚合物充填材料在蠕变压缩过程中，颗粒之间容易发生破碎与滑移等现象，其随时间变化的蠕变效应较为显著。

采用陈氏加载法对掺量为0.096 kg的矸石聚合物进行处理，得到矸石聚合物在不同加载应力下的蠕变曲线，并分析其瞬时以及蠕变压缩应变的变化规律。陈氏数据处理方法得到的矸石聚合物蠕变曲线如图10所示，压实蠕变特性指标见表5。

图10 陈氏法处理矸石聚合物蠕变曲线Fig.10 Creep curve of Chen’s method fortreating gangue polymer

通过表5与图10的观察分析可知，当蠕变试验加载应力从5 MPa加到10 MPa时，其瞬时应变及蠕变应变改变的比例是最大的，而在10 MPa之后，随着加载应力的增加，其瞬时变形和蠕变变形的改变量所占其相应变形的比值则越来越小。因此该聚合物矸石充填材料在应力大于10 MPa时蠕变性能相对较为稳定，对于我国东部地区大多数位于400 m以下，地压普遍大于10 MPa的充填采空区来说，该充填材料较为合适。在进行充填开采时，充填成本是必须考虑的一个重要因素，纯充填煤矸石的充填成本为40～50元/t煤，充填矸石聚合物的充填成本较纯充填煤矸石增加了10%，可有效控制地表的沉降，经济效益显著。

表5 矸石聚合物充填体压实蠕变特性指标

5 结 论

1)平均级配的矸石充填体的抗变形能力较强。通过数值模拟对3种最大粒径的平均级配矸石模型进行细观分析得到，粒径为40 mm矸石充填体内部的力链骨架分布更合理，整体抗变形能力最强。

2)矸石聚合物充填体在轴向压实过程中，随着轴向压力的增大其应变值也随之增加，前期增速较快而后逐渐趋于平缓。掺加了丁苯乳液的矸石充填体具有较好的承载性能，在压实条件下抵抗变形的性能最优，而掺加丙烯酸酯的矸石充填体效果次之，氯丁乳液作用效果则最弱。

3)随着丁苯乳液掺量的增加，矸石聚合物充填体的蠕变应变随之减小，在掺量为0.096 kg时，应变的减小幅度最大。对于同一掺量的矸石聚合物，加载应力从5 MPa到10 MPa时，其瞬时应变及蠕变应变改变量的所占比例最大，应力大于10 MPa时，应变差值占比减小，蠕变性能相对稳定，该充填材料适用于大多数我国东部400 m以下、地压大于10 MPa的采空区。