CN108918223A - 一种模拟实际采场环境的膏体充填材料实验室养护方法 - Google Patents

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Abstract

一种模拟实际采场环境的膏体充填材料实验室养护方法，包括以下步骤：(1)对实际采场进行现场调研，膏体充填完成后对实际采场实时监测；(2)在实验室内制备充填体试件；(3)将充填体试件置于透明容器内，倒入腐蚀溶液，然后全部置于压力架内并放入混凝土碳化试验箱，根据实际采场监测数值调整混凝土碳化试验箱条件，对充填体进行同步养护；(4)根据实际采场监测应力，通过压力架对充填体试件施加应力；(5)养护完成后取出充填体试件的力学性质的测定。本发明的方法测得的力学性质更接近于实际工程中的充填体，更加符合工程实际情况。

Description

一种模拟实际采场环境的膏体充填材料实验室养护方法
技术领域
本发明涉及膏体充填开采技术领域，具体涉及一种模拟实际采场环境的膏体充填材料实验室养护方法。
背景技术
膏体充填开采技术作为建筑物下、铁路下、水体下和承压水上开采(简称“三下一上”开采)的重要手段，在国内外被广泛应用。充填膏体被充填到采空区后形成以膏体充填体为主的上覆岩层支撑体系，可有效控制采空区地表开采沉陷，提高资源采出率，保证矿山的可持续发展。
膏体充填完成后，为保证充填效果需要对采空区下的充填体进行实时监测，但由于充填体的体积较大以及井下复杂的环境，对充填体性能的直接测定难以实现。目前常用的方法是对充填体钻孔取样运送到实验室后获取其力学参数，不过缺点是过程繁琐且成本较高。相比较而言，在室内试验中模拟实际采场情况进行充填体的制备与养护是更为有效的方法。
充填体强度与后期养护条件密切相关。目前充填体的室内养护方式主要为标准养护，但是通过对比现场与室内试验的结果发现，现场实测的充填体强度值远低于室内试验值，这说明现场的养护条件与标准养护条件存在着较大差异。
对于标准养护来说，其是一个温度湿度均保持恒定的养护过程(温度为20±2℃，相对湿度为95％RH以上)，而对于实际采场来说却是变化的。当大体积的充填膏体充填到采空区后会发生剧烈的水化反应，反应热量迅速集聚，温度快速升高，同时由于充填体的充填井下出现了围岩包围的密闭空间，充填体所处环境温度也随着热量的散发而大幅度提升(最高可超过60℃)，采场环境变为高温；水化反应完成后，温度逐渐下降趋于平稳。温度的变化也会导致湿度的变化，高温使得采空区内空气携带水分能力增强，在绝对湿度不变的情况下饱和湿度变大，相对湿度变小。温度下降后，相对湿度值变大。
考虑到采场实际情况复杂，充填体所处环境除了上述的温度、湿度变化外还会受到其他因素的影响，包括围岩应力作用、采场中的矿井水浸泡腐蚀以及CO2碳化作用等，充填体在这些因素的共同作用下力学性质会发生较大的改变。
发明内容
本发明的目的是解决上述背景技术缺陷，提供一种模拟实际采场环境的膏体充填材料实验室养护方法，利用该方法在室内试验中获得充填体的准确力学性质。
本发明技术方案为一种模拟实际采场环境的膏体充填材料实验室养护方法，其特征在于：实测实际采场环境中温度、湿度、应力、矿井水化学成分及水位、CO2浓度等指标，利用所测指标在实验室内模拟出相似环境，将充填体放置于该环境中进行养护，使充填体养护过程更接近于实际采场。
本发明的方法包括以下步骤：
(1)对实际采场进行现场调研，待膏体充填完成后，对实际采场内温度、湿度、充填体所受应力、矿井水水位和CO2浓度进行实时监测，同时检测矿井水化学成分；
(2)在实验室内制备充填体试件，将用于制备充填体试件的料浆搅拌均匀，装模并带模放入混凝土碳化试验箱进行预制养护24h，养护的温度、湿度和CO2浓度按照实际采场充填完成后24h内所测得数据的平均值进行设定，24h后取出，拆模得到成型的充填体试件；
(3)将充填体试件置于透明容器内，透明容器的材质为聚丙烯塑胶；再向透明容器倒入按矿井水主要化学成分配制的腐蚀溶液，腐蚀溶液的液面高度按实际采场中充填体与矿井水水位的高度比例关系确定；将充填体试件和透明容器置于压力架内，然后连同压力架一起放入混凝土碳化试验箱，根据实际采场监测获得的温度、湿度和CO2浓度，同步改变混凝土碳化试验箱内养护温度、湿度和CO2浓度，对充填体进行同步养护；
所述的压力架包括上下两个钢板，两个钢板通过2套螺栓螺母连接，其中螺母位于上钢板上方，螺栓头位于下钢板下方，上钢板与充填体试件的顶部连接，下钢板与透明容器的底面连接，两套螺栓螺母以透明容器的轴线为轴线对称设置；
(4)同步养护期间，根据实际采场监测获得的充填体所受应力的数值，将应力的数值换算为扭矩值，然后通过扭力扳手对压力架上各个螺母同时施加扭矩形成预紧力，其中每个螺母分担总预紧力的1/2，进而通过钢板对充填体试件施加应力；
(5)同步养护28d后，从混凝土碳化试验箱中取出压力架，卸下试件，进行充填体试件的力学性质的测定。
上述方法中，在步骤(1)中，对实际采场进行实时监测时，每隔1h进行记录一次温度、湿度、充填体所受应力、矿井水水位和CO2浓度的数值，24h内的全部数值的平均值作为预制养护的各指标设置的依据。
上述方法中，步骤(3)和(4)中，对实际采场进行实时监测时，每隔1h进行记录一次温度、湿度、充填体所受应力、矿井水水位和CO2浓度的数值，以1～3d为一周期计算各指标平均值，以各指标平均值作为同步养护期间各指标设置的依据。
上述方法中，混凝土碳化试验箱温度控制范围为5～70℃，湿度控制范围为40～95％，CO2浓度控制范围为0～20％。
上述的步骤(4)中，扭力扳手在使用前设定好扭矩值，然后同时拧紧各个螺母对充填体试件施加应力。
上述的步骤(5)中，为保证充填体试件的溶液环境，同步养护过程中按矿井水化学成分的检测结果，对腐蚀溶液的成分进行调整。
上述方法中，螺母的预紧力与所施加的扭矩之间的关系由以下公式确定：
Mt＝0.2FN·D(1)；
式中，Mt为扭矩，单位N·m；FN为螺丝杆的预紧力，单位N；D为螺栓直径，单位mm；
充填体试件需施加力σ计算所依据的应力公式为：
σ＝F/S(2)；
式中，S为充填体试件受力面积，及充填体试件的横截面积，单位mm2；F为充填体试件需施加力，单位N；
每个螺丝杆的预紧力为充填体试件需施加力的1/2，即：
FN＝F/2(3)。
相比于现有的充填膏体养护方法，本发明具有如下有益效果：
(1)实测实际采场的各类指标并在室内试验中模拟出相似环境，使充填体试件在接近于实际养护的条件下进行养护，养护后测得的力学性质更接近于实际工程中的充填体；
(2)温度、湿度、矿井水成分及水位、CO2浓度均通过现场实测得到，保证了室内试验环境与实际采场的一致性；
(3)充填体的碳化指充填体中的水化产物与矿井中的CO2气体作用生成碳酸盐或其他物质的现象，是降低充填材料耐久性能的一个主要因素，补充了CO2碳化因素对养护的影响，更加符合工程实际情况；
(4)所述充填体试件装模后带模放入试验箱预制养护24h，确保了充填体的成模情况，也为后续应力施加和溶液浸泡提供了条件；
(5)所述压力架采用2个螺母拧紧共同施加应力，每个螺母施加总应力的1/2，保证了压力架的整体稳定性与强度；
(6)盛放腐蚀溶液的透明容器选用聚丙烯塑胶材质，确保了容器在长期养护过程中可以应对温度、压力不断变化的情况，透明容器也方便观察溶液液面高度及充填体试件的养护情况。
附图说明
图1为本发明实施例中采用的压力架局部剖面结构示意图；
图2为图1的侧视局部剖面示意图；
图3为图1的俯视图；
图中，1、螺母，2、上钢板，3、垫圈，4、螺栓，5、充填体试件，6、腐蚀溶液，7、透明容器，8、下钢板。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步的详细描述。
本发明实施例中采用的压力架结构如图1所示，侧视图如图2所示，俯视图如图3所示，包括上下两个钢板2、8，两个钢板2、8通过2套螺栓螺母连接，其中螺母1位于上钢板2的上方，螺母1和上钢板2之间设有垫圈3，螺栓4头部位于下钢板8下方，上钢板1与充填体试件5的顶部接触，下钢板8与方形透明容器7的底面接触，两套螺栓螺母以方形透明容器7的轴线为轴线对称设置；所述的螺栓为六角螺栓，螺母为六角螺母。
本发明实施例中采用的螺栓直径为12mm。
本发明实施例中采用的透明容器为方柱形。
本发明实施例中采用的尺寸为50cm(长)×50cm(宽)×80cm(高)。
本发明实施例中采用的CCB-70F型混凝土碳化试验箱，其中的温度控制设备采用CX2000系列智能温湿度控制仪，使温度控制范围超过60℃。
本发明实施例中采用的扭力扳手为TLB指针式表盘扭力扳手，扭矩施加范围为0-1N·m。
本发明实施例中采用的用于制备充填体试件的料浆配制依据<全尾砂胶结充填体蠕变损伤破坏规律研究>，由全尾砂、42.5普通硅酸盐水泥和水混合组成，料浆的灰砂比为1:6，质量浓度为70％。
实施例1
金属矿采用分段空场采矿法，并在后期采用全尾砂膏体充填方法处理采空区，其中一处采空区尺寸为5m(宽)×22m(长)×26m(高)，充填所需的全尾砂膏体充填体利用输送管道以泵送方式输送到采空区中进行充填；
对实际采场进行现场调研，待膏体充填完成后，对实际采场内温度、湿度、充填体所受应力、矿井水水位和CO2浓度进行实时监测，同时检测矿井水化学成分；
实时监测时每隔1h进行记录一次温度、湿度、充填体所受应力、矿井水水位和CO2浓度的数值，24h内的全部数值的平均值作为预制养护的各指标设置的依据；
在实验室内制备充填体试件，将用于制备充填体试件的料浆搅拌均匀，装模并带模放入混凝土碳化试验箱进行预制养护24h，养护的温度、湿度和CO2浓度按照实际采场充填完成后24h(第一天)内所测得数据的平均值进行设定，24h后取出，拆模得到成型的充填体试件；
将充填体试件置于透明容器内，向透明容器倒入按矿井水主要化学成分配制的腐蚀溶液，腐蚀溶液的液面高度按实际采场中充填体与矿井水水位的高度比例关系确定；将充填体试件和透明容器置于压力架内，然后连同压力架一起放入混凝土碳化试验箱，根据实际采场监测获得的温度、湿度和CO2浓度，同步改变混凝土碳化试验箱内养护温度、湿度和CO2浓度，对充填体进行同步养护；
同步养护期间，根据实际采场监测获得的充填体所受应力的数值，将应力的数值换算为扭矩值，然后通过扭力扳手对压力架上各个螺母同时施加扭矩形成预紧力，其中每个螺母分担总预紧力的1/2，进而通过钢板对充填体试件施加应力；
对实际采场进行实时监测时，每隔1h进行记录一次温度、湿度、充填体所受应力、矿井水水位和CO2浓度的数值，每天计算各指标平均值，以各指标平均值作为同步养护期间各指标设置的依据；每天调整养护条件的数值；
扭力扳手在使用前设定好扭矩值，然后同时拧紧各个螺母对充填体试件施加应力；
同步养护过程中按矿井水化学成分的检测结果，对腐蚀溶液的成分进行调整；
实时监测获得的数据(每天平均值)如表1所示；
表1
时间/d 温度/℃ 湿度/％ 应力/KPa CO2浓度/％ 矿井水水位/m
1 26.3 87 60 1.40 5.6
2 35.9 81 100 1.38 6.3
3 45.5 76 97 0.86 6.7
4 60.5 68 97 1.38 7.2
5 55.7 71 95 1.50 6.9
6 50.9 74 118 1.56 6.5
7 46.1 75 132 1.56 7.1
8 41.3 79 140 1.26 7.4
9 37.3 82 145 0.86 6.9
10 36.5 84 150 0.86 6.7
13 35.1 84 137 1.26 8.2
16 33.6 84 130 0.86 8.8
19 32.2 83 127 1.22 9.2
22 30.7 85 125 1.26 7.7
25 29.3 86 122 1.26 6.1
28 27.1 86 122 1.22 5.5
矿井水水质分析结果为pH值7.4，悬浮物101.0mg/L，CaO 172.0mg/L，MgO 32.7mg/L，Fe 0.025mg/L，Cu 0.025mg/L，SO4 2-265.3mg/L，HCO3 -158.0mg/L；
以表1中1d的指标作为预制养护条件；获得的充填体试件为尺寸Φ50×100mm的标准圆柱体；
按矿井水化学成分配置腐蚀溶液，矿井水中Ca2+、Mg2+、SO4 2-与HCO3 -含量较高，在配置主要加入该四种离子；
利用扭力扳手给压力架中试件施加应力，应力值来自现场实测数据；将带有透明容器的压力架取出放置于试验台上，保证两个螺栓底部与试验台接触平稳；用手固定住上下钢板，将扭力扳手预调相应扭矩值后缓慢对螺母加力，直至听到扭力扳手发出“咔哒”声(已达到预设扭力值)后停止加力，整个过程中注意保持压力架的稳定；
由充充填体试件尺寸可得S＝π·R2＝1963.5mm2，每个螺丝杆的预紧力为充填体试件需施加力的1/2，每个螺母施加的扭矩值根据前述公式算出；
充填体试件不同龄期时扭力扳手的扭矩施加值如表2所示；
表2
28d后从试验箱中取出压力架，卸下试件，进行试验测定其力学性质，与传统标准养护方法及实际采场测得数据对比结果见表4；
表4
养护方法 单轴抗压强度/MPa 弹性模量/MPa 泊松比
实际采场 1.81 646 0.026
实施例养护方法 1.73 612.34 0.021
标准养护方法 2.35 839.66 0.034
表4中弹性模量指的是材料在弹性限度内应力与应变的比值，是表征材料性质的一个物理量，它的大小标志了材料的刚性，弹性模量越大，材料刚性越高，越不容易发生形变；
泊松比指的是材料在单向受拉或受压时横向正应变与轴向正应变的绝对值的比值，也称为横向变形系数，是反映材料横向变形的弹性常数；泊松比大说明材料在受力之后未发生塑性变形前横向变形量较纵向变形量大，反之则横向变形量比纵向变形量小；
对于充填材料来说，当被充填到采空区后主要的作用是支撑岩层、吸收、转移应力和阻止围岩位移，因此必须保证材料具有足够的强度和抵抗变形的能力，即表现为单轴抗压强度高、弹性模量大、泊松比小；通过对比表4的数据可知，标准养护方法下的充填体试件单轴抗压强度、弹性模量、泊松比数值均高于实际采场养护，而与利用本发明养护方法的结果大致相同；这表明了实际采场环境中的充填体在多因素共同作用下力学性质发生了较大的改变，参数指标发生了衰减，标准养护方法存在着较大的缺陷；与标准养护方法相比，本发明的养护方法的效果明显更好，所得到的参数更接近于采场实测值，证实了本发明的正确性。

Claims (6)

1.一种模拟实际采场环境的膏体充填材料实验室养护方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)对实际采场进行现场调研，待膏体充填完成后，对实际采场内温度、湿度、充填体所受应力、矿井水水位和CO2浓度进行实时监测，同时检测矿井水化学成分；
(2)在实验室内制备充填体试件，将用于制备充填体试件的料浆搅拌均匀，装模并带模放入混凝土碳化试验箱进行预制养护24h，养护的温度、湿度和CO2浓度按照实际采场充填完成后24h内所测得数据的平均值进行设定，24h后取出，拆模得到成型的充填体试件；
(3)将充填体试件置于透明容器内，透明容器的材质为聚丙烯塑胶；再向透明容器倒入按矿井水主要化学成分配制的腐蚀溶液，腐蚀溶液的液面高度按实际采场中充填体与矿井水水位的高度比例关系确定；将充填体试件和透明容器置于压力架内，然后连同压力架一起放入混凝土碳化试验箱，根据实际采场监测获得的温度、湿度和CO2浓度，同步改变混凝土碳化试验箱内养护温度、湿度和CO2浓度，对充填体进行同步养护；所述的压力架包括上下两个钢板，两个钢板通过2套螺栓螺母连接，其中螺母位于上钢板上方，螺栓头位于下钢板下方，上钢板与充填体试件的顶部连接，下钢板与透明容器的底面连接，两套螺栓螺母以透明容器的轴线为轴线对称设置；
(4)同步养护期间，根据实际采场监测获得的充填体所受应力的数值，将应力的数值换算为扭矩值，然后通过扭力扳手对压力架上各个螺母同时施加扭矩形成预紧力，其中每个螺母分担总预紧力的1/2，进而通过钢板对充填体试件施加应力；
(5)同步养护28d后，从混凝土碳化试验箱中取出压力架，卸下试件，进行充填体试件的力学性质的测定。
2.根据权利要求1所述的一种模拟实际采场环境的膏体充填材料实验室养护方法，其特征在于步骤(1)中，对实际采场进行实时监测时，每隔1h进行记录一次温度、湿度、充填体所受应力、矿井水水位和CO2浓度的数值，24h内的全部数值的平均值作为预制养护的各指标设置的依据。
3.根据权利要求1所述的一种模拟实际采场环境的膏体充填材料实验室养护方法，其特征在于步骤(3)和(4)中，对实际采场进行实时监测时，每隔1h进行记录一次温度、湿度、充填体所受应力、矿井水水位和CO2浓度的数值，以1～3d为一周期计算各指标平均值，以各指标平均值作为同步养护期间各指标设置的依据。
4.根据权利要求1所述的一种模拟实际采场环境的膏体充填材料实验室养护方法，其特征在于所述的混凝土碳化试验箱温度控制范围为5～70℃，湿度控制范围为40～95％，CO2浓度控制范围为0～20％。
5.根据权利要求1所述的一种模拟实际采场环境的膏体充填材料实验室养护方法，其特征在于步骤(4)中，扭力扳手在使用前设定好扭矩值，然后同时拧紧各个螺母对充填体试件施加应力。
6.根据权利要求1所述的一种模拟实际采场环境的膏体充填材料实验室养护方法，其特征在于步骤(5)中，为保证充填体试件的溶液环境，同步养护过程中按矿井水化学成分的检测结果，对腐蚀溶液的成分进行调整。
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