Dynamic response mechanism of initial failure of coal mass induced by in-situ stress in an outburst inoculation process of the working face for coal mining
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摘要:
工作面采动应力场诱发煤体初始破坏，作为突出发生的必要条件，揭示其细宏观动态力学过程依然存在巨大挑战。基于采掘工作面典型突出事故，构建了采动煤体损伤失稳过程多变应力载荷路径。采用PFC3D离散元软件开展了多工况多尺度下煤体损伤失稳可视化模拟，揭示了采动煤体损伤失稳动态响应规律，阐明了采动煤体裂纹动态演变行为，并基于采动下地应力诱使煤体初始破坏规律提出了突出防治技术展望。结果表明：采动煤体随主应力加卸载速率的变化，其破坏类型和破坏强度差异明显。应力渐进卸载过程，煤体宏观破断面呈现单斜面或共轭剪切面形式，且随卸载速率增加，煤体破坏强度降低。随应力双向同等速率渐进加载，单向突然卸载或保持一定残余应力状态下呈现宏观破断面与中间主应力方向平行，且卸载程度增加或残余应力降低引发煤体破坏强度降低。不同应力载荷下，煤体破坏过程随剪切和张拉裂纹先后出现，呈现张剪破坏。在采动煤体损伤引发失稳过程中裂纹动态演变过程呈现间歇性、渐进性和阵发性复合特征。裂纹整体发育过程可表征为初期新裂纹出现（间歇性−突增阶段）、裂纹扩展（渐进性−慢增阶段）以及贯通并扩展（阵发性−慢增阶段）、整体撕裂煤体过程（骤增阶段）。煤体力学强度被视为影响突出发生的一主控因素，地应力诱发采动煤体初始破坏的难易程度关键在于应力加卸载路径。单向主应力突然卸载或双向主应力渐进卸载，煤体最易发生初始破坏。基于此力学规律，提出可表征工作面突出煤体最危险状态的“采掘工作面突出预测理想采动模式”。
Abstract:There is still a great challenge to reveal the micro-macro dynamic mechanical behavior of initial coal failure induced by mining stress field in working face as a necessary condition for the outburst occurrence. The multivariate stress loading paths for the damage and instability of mining coal were constructed based on the typical coal and gas outburst accident of mining face. PFC3D discrete software was used to carry out the visual simulation of damage and instability of coal under multiple working conditions and scales. The dynamic response law of damage and instability of mining coal was revealed, the dynamic evolution behavior of cracks in mining coal was clarified, and the prospect of outburst prevention technologies was put forward based on the initial failure process of coal induced by in-situ stress under mining. The results shown that the failure type and strength of the mined coal varied significantly with the loading and unloading rate of the principal stress. In the process of gradual unloading of stress, the macroscopic fracture surface of coal presented the form of single inclined plane or conjugate shear plane, and the failure strength of coal decreased with the increase of unloading rate. With the gradual loading in both directions of stress at the same rate, unidirectional sudden unloading or a certain residual stress maintaining state presented a macro fracture surface parallel to the direction of the intermediate principal stress. And the failure strength of coal decreased with the increase of the unloading degree or the decrease of the residual stress. Under different stress loaded, the tension-shear failure process of coal appeared successively with shear and tension cracks. In the process of instability caused by mining coal damage, the dynamic evolution of cracks presented intermittent, progressive and paroxysmal composite characteristics. The overall development process of cracks can be characterized as the initial appearance of new cracks (intermittent-sudden increase stage), crack expansion (gradual-slow increase stage), penetration and expansion (paroxysmal-slow increase stage), and the overall tearing process of coal (sudden increase stage). The mechanical strength of coal was regarded as one of the main controlling factors affecting the occurrence of outbursts. The difficulty of initial failure of coal induced by in-situ stress depended critically on the stress loading and unloading path. The coal was most prone to initial failure when the unidirectional principal stress was suddenly unloaded or the bidirectional principal stress was gradually unloaded. Based on this mechanical law, the “ideal mining mode of outburst prediction in mining working face” was proposed to represent the most dangerous state of coal in the working face.
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0. 引 言
我国矿产资源丰富且分布范围广泛，矿产资源在开采后能给人类社会带来巨大利益的同时，也会给生态环境造成巨大的危害[1-3]，地下开采后会出现一定面积的采空区，上覆岩层和地表将会产生连续性的移动、变形和非连续性的破坏，岩层裂隙开始缓慢发育，这些会导致采空区面积增大，当采空区面积扩大到一定程度后，地层初始的平衡状态会因失稳造成严重破坏[4-6]。如地下开采造成的地表沉陷引起的土地破坏、地表建筑物损害、地下水系及生态环境破坏等。随着我国经济的快速发展和城镇化建设的深入推进，城市土地资源日益紧张，在采空区场地上进行工业建设已成为不可避免的趋势[7]。在采空区地面建设建筑物时，当建筑物的自身重量超过地表的承载力时就会打破地下空洞上覆岩层相对应力的平衡状态，造成已趋于稳定的老采空区的活化，使地下空洞的上覆岩层产生二次移动和变形，从而导致地表稳定性产生变化，对地面建筑物产生安全威胁。因此，要在矿山采空区场地上进行工程活动，就必须对采空区地基进行针对性的研究和处理。
依据过去对煤矿采空区地基加固治理的实践经验，注浆技术[8-10]是最有效、便捷的治理手段，是一种在煤矿采空区地基加固处理方面最常用的方法，在国内外各类工程项目中应用广泛。此外注浆技术在岩土工程领域应用十分广泛，其主要作用是通过注入浆液对地下岩土体进行充填加固或防渗补漏以防止地质灾害的发生[11-13]。普通硅酸盐水泥浆是目前最常用的注浆材料之一[14]，但不同地质情况对注浆材料的要求不尽相同，因此有针对性地应用注浆材料是节约注浆成本增强注浆效果的必要手段。近年来，随着环保意识的增强，大量研究人员开始将固体废物研制为注浆材料， LIN等[15]将已经水化过的废弃水泥用高温激发其活性，并把磷石膏、烟气脱硫石膏和高纯度天然石膏3种不同石膏分别添入其中生成再生水泥灌浆材料，试验结果表明，3种石膏均延长了浆液的初凝时间，改善了浆液的流动性和力学性能，适宜用作灌浆材料。PEKRIOGLU[16]研究了掺减水剂和不掺减水剂的大体积粉煤灰水泥悬浆在相对密度分别为30%、60%、73%和83%的砂土中的渗透性能，该研究表明，大体积粉煤灰悬浮液在含有细至中等土砂粒的介质中是有益的、环保的、经济有效的灌浆材料[17]。采用的注浆材料到目前为止有很多种，由于不同地质情况对注浆材料的要求不尽相同，因此应有针对性地应用注浆材料以便能在增强注浆效果的同时节约注浆成本[18-20]。
煤矸石是煤矿开采后产生的固体废弃物，在煤矸石场地堆放会对空气和地下水产生危害[21-22]，在早些年一些学者研究了将煤矸石破碎后与胶凝剂拌和作为注浆材料[23-24]，现如今，煤矸石膏体作为注浆材料已普遍用于我国矿山充填开采中[25-28]。蒸压加气混凝土砌块是以粉煤灰、石灰、水泥、石膏、矿渣等为主要原料，经配料搅拌、浇注、静停、切割和高压蒸养等工艺过程而制成的一种多孔混凝土制品[29]。在很多工程中，由于不定的因素会产生一些废弃的蒸压加气混凝土砌块。笔者将采用煤矸石和废弃的蒸压加气混凝土砌块2种材料分别与水泥掺和研制出适用于采空区地基加固中的注浆浆液。
1. 试验材料与方法
1.1 试验材料处理
试验主要材料废弃蒸压加气混凝土砌块（简称WAACB）来自河南理工大学校内废弃块体。废弃煤矸石（Waste Coal Gangue，简称WCG）来自河南省赵固二矿，是采煤过程和选煤过程中排放的固体废物，是一种在成煤过程中与煤层伴生的一种含碳量较低、比煤坚硬的黑灰色岩石。故将2种材料拿来做本次试验研究的主要材料。废弃固体材料中的蒸压加气混凝土砌块，废弃煤矸石如图1所示。
1.1.1 处理流程
废弃蒸压加气混凝土砌块强度较低、质地均匀、易研磨，处理时用PE150×250型颚式破碎机将其破碎成小块，然后将破碎后的小块放入PCZ-180×150型密封锤石破碎机加工成粒径≤6 mm的粉末，再将粉末放入KER-1/100A式密封式制样粉碎机中进行研磨，直到粉末粒径满足细度要求。废弃煤矸石强度较大，处理时用PE150×250型颚式破碎机将其破碎成小块，而后将破碎后的小块放入PCZ-180×150型密封锤石破碎机再次破碎粒径≤16 mm的粉末，再将粉末放入KER-1/100A式密封式制样粉碎机中进行研磨，由于煤矸石的强度大，所以研磨时长要比废弃蒸压加气混凝土砌块多，最终直到粉末粒径满足细度要求。图2为废弃蒸压加气混凝土砌块和废弃煤矸石的加工流程。
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图 2 废弃蒸压加气混凝土砌块和废弃煤矸石加工流程Figure 2. Flow chart of processing of waste autoclaved aerated concrete blocks and waste gangue1.1.2 粒径测试
测试粉末的粒径分布能够直接反映出粉末的均匀性，不同研磨时间的粒径分布能够直接反映出该粉末的研磨效率。图3所示的研磨后的粉末进行粒度分级测试，采用马尔文激光粒度仪。
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图 3 废弃蒸压加气混凝土砌块不同研磨时间的粒度分级Figure 3. Particle size classification of waste autoclaved aerated concrete blocks at different grinding times将废弃蒸压加气混凝土砌块研磨时长为8、10、12 min的粉末用马尔文激光粒度仪进行粒度分级测试，测试的结果如图3所示。图3a是各个时间段的废弃蒸压加气混凝土砌块粉末的体积密度曲线，由图看出研磨后的废弃蒸压加气混凝土砌块粉末只有一个峰值，并且呈现出类似于正态分布的曲线。说明研磨后的废弃蒸压加气混凝土砌块粉末颗粒级配均匀。图3b是各个时间段的废弃蒸压加气混凝土砌块粉末的体积累积曲线，由图可以看出随着研磨时长的增加，该曲线整体出现左移的趋势，说明随着时间的增加废弃蒸压加气混凝土砌块粉末的粒径在不断减小，并且由图3b还可看出随着时间的增加，研磨效率在不断的降低。
将废弃煤矸石研磨时长为80、100、120 min的粉末用马尔文激光粒度仪进行粒度分级测试，测试的结果如图4所示。图4a是不同研磨时间的废弃煤矸石粉末的体积密度曲线，由图4a看出，研磨80 min时的煤矸石粉体体积密度曲线左侧出现2个小峰，右侧出现1个大峰，对于出现的3个峰值说明此时的废弃煤矸石粉具有很强的不均匀性。研磨时长在100 min和120 min的时刻体积密度曲线呈现1小1大2个峰值，且小峰在右侧大峰在左侧，说明随着时间的增加废弃煤矸石粉颗粒的均匀性在提高。图4b是各个时间段的废弃煤矸石粉末的体积累积曲线，由图可以看出研磨时长在80 min和100 min时间段里，煤矸石粉末颗粒快速变细变均匀，而在100 min到120 min的时间段里变化的速度变小，说明随着时间的增加，煤矸石粉的研磨效率迅速降低。
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图 4 废弃煤矸石不同研磨时间的粒度分级Figure 4. Particle size classification of waste coal gangue at different grinding times对比废弃蒸压加气混凝土砌块和废弃煤矸石不同研磨时间的粒径分布情况，不难看出来废弃蒸压加气混凝土砌块粉末有较强的匀质性，并且易磨性强，研磨时对能量的消耗量较少；而煤矸石粉由于粗、细骨料的耐磨性不同，故而其粒径分布相较于蒸压加气混凝土砌块粉具有较强的不均匀性，并且研磨时长也远高于蒸压加气混凝土砌块粉，研磨过程中会消耗更多的能量。
1.1.3 试验辅材
试验过程中所用的水泥为焦作市生产的坚固牌PO42.5级普通硅酸盐水泥，其主要的物理性能指标见表1。
表 1 水泥主要物理力学性能Table 1. Main physical and mechanical properties of cement指标 比表面积/
（m2·kg−1）凝结时间/min 抗压强度/MPa 抗折强度/MPa 初凝 终凝 7 d 28 d 7 d 28 d 结果 412 167 233 23 51.6 4.9 7.3 1.2 试验方案与方法
根据《煤矿采空区建（构）筑物地基处理技术规范》（GB 51180—2016），采空区地基处理注浆充填浆液的水固比一般为1∶1.1～1∶1.3，试验固定水固比为1∶1.3，并设置纯水泥浆液为对照组。用废弃蒸压加气混凝土砌块粉末和废弃煤矸石粉末分别代替水泥用量，质量替代率为50%、60%、70%、80%，用配置好的浆液研究其浆液的黏度、初凝时间、终凝时间、析水率、结石率、流动性和抗压强度的变化规律，具体试验方案见表2。
表 2 试验方案Table 2. Test scheme组号 水泥掺量/% 粉末掺量/% WAACBP0 100 0 WAACBP50 50 50 WAACBP60 40 60 WAACBP70 30 70 WAACBP80 20 80 WCGP50 50 50 WCGP60 40 60 WCGP70 30 70 WCGP80 20 80 注：组号中“WAACBP”代表废弃蒸压加气混凝土砌块粉末，“WCGP”代表废弃煤矸石粉末。 1.2.1 黏 度
黏度是能够体现流体黏滞性大小的的物理量，可以在一定的程度上体现出浆液的流动性大小，浆液的流动性代表着浆液的可注性，能直接影响浆液的扩散半径，同时也决定注浆压力、流量等参数的确定。浆液的黏度越小表示这浆液的流动性越好。该物理量采用 Brookfield DV2T 黏度计测量，黏度计实物如图5所示。
1.2.2 凝结时间
凝结时间可以反映出浆液物理性能的指标之一，包括了初凝时间和终凝时间。初凝时间是在浆液配置时加水开始搅拌起，至浆液开始失去塑性的时间，考虑到浆液的流动性，初凝时间不能太短；终凝时间在浆液配置时加水开始搅拌起，至浆液完全的失去了塑性并且开始产生强度的时间，从工程进度方面考虑，浆液的终凝时间不能太长。测量凝结时间的方法参照《水泥标准稠度、凝结时间、安定性检验方法》（GB/T 1346—2011），试验仪器采用维卡仪测量。图6为凝结时间测试仪器。
1.2.3 析水率和结石率
析水率是指待测浆液在静止状态下因固体颗粒沉降作用导致析出水的比率。浆液的析水率越高，代表浆液越不稳定，会严重影响到浆液的注浆效果，故析水率是评判浆液的一个重要指标。测量析水率时当清水体积稳定不再有水析出，此时清水的体积与原浆液的体积比值即为浆液的析水率。
结石率是指浆液固结后的体积与原浆液的体积比值。结石率高的浆液在充填采空区地基中的空隙、裂隙和空洞可以发挥很好的效果。要想使采空区地基充填的效果好，通常要求浆液的结石率不小于80%。图7为浆液析水率和结石率的测试。
1.2.4 抗压强度
采空区地基注浆充填对浆液的强度要求不是太高，根据《煤矿采空区建（构）筑物 地基处理技术规范》（GB 51180—2016），在注浆设计中，对室内养护的试件单轴抗压强度不小于2 MPa即可。本次试验采用如图8所示的边长70.7 mm的三联试模浇筑试块。
在试块到达养护龄期后，用数显游标卡尺测量每个试件的尺寸后，使用万能试验机进行试件的单轴抗压强度试验。单个试件的抗压强度按照式（1）进行计算。图9为测试工具和仪器。
$$ {f}_{{\rm{m}},{\rm{cu}}}=K\frac{{N}_{{\rm{U}}}}{A} $$ (1) 式中：$ {f}_{{\rm{m}},{\rm{cu}}} $为试件的单轴抗压强度，MPa；$ {N}_{{\rm{U}}} $为试件破坏荷载，N；A为试件承压面积，mm2；K为换算系数，取1.35。
1.2.5 流动性
流动性表征在注浆过程中的浆液可注性，直接影响浆液的扩散半径，同时也决定着注浆压力、流量等参数的确定。浆液的流动性用ø36 mm×60 mm×60 mm的截锥圆模进行测试，将玻璃板放置在水平位置，用湿布将玻璃板，截锥圆模，搅拌器及搅拌锅均匀擦过，使其表面湿而不带水渍，将拌好的净浆迅速注入截锥圆模内，用刮刀刮平，将截锥圆模按垂直方面提起，同时开启秒表计时，任水泥净浆在玻璃板上流动，至30 s，用直尺量取流淌部分互相垂直的两个方向的最大直径，取平均值作为水泥净浆流动度。图10为截锥圆模。
2. 试验结果与分析
对照组纯水泥浆的每个实验结果见表3，由表可知纯水泥浆液的抗压强度高、可注性和流动性良好，但是析水率高、结石率低，不利于作采空区地基注浆的充填浆液。根据采空区地基注浆充填机理，要求新配置的浆液在保证流动性和可注性满足要求的前提下，在一定程度上要降低抗压强度、降低析水率、提高结石率、延长凝结时间。
表 3 对照组试验结果Table 3. Experimental results of control group凝结时间/min 析水
率/%结石
率/%黏度/cP 流动性/
mm抗压强度/MPa 初凝 终凝 3 d 7 d 28 d 590 725 20 80 86.4 2200 5.66 13.38 34.76 2.1 WAACBP−水泥浆液性能分析
2.1.1 黏 度
浆液的黏度是衡量浆液黏滞性大小一个物理量，也可以反映浆液的可注性与流动性，图11为不同WAACBP掺量下对浆液的黏度影响。通过图中可以看出无论WAACBP对水泥的替代率是多少，浆液的黏度值和纯水泥浆的黏度相近，说明WAACBP的掺入对浆液的可注性和流动性基本没有影响，因纯水泥浆的黏度值符合采空区地基注浆效果，所以WAACBP−水泥浆液的黏度值不作为选取最优配比的指标。
2.1.2 凝结时间
不同组配比浆液的凝结时间如图12所示，由图12可以看出当水泥替代率为50%时，浆液的凝结时间与对照组的凝结时间相比略微减小，随着替代率的增加后，浆液的初凝时间和终凝时间都在持续的增加，特别是当水泥替代率为80%时，初凝时间和终凝时间变化幅度最大。图中还体现出当水泥替代率增加时，初凝时间和终凝时间的间隔也在增加，尤其是在水泥替代率为70%和80%的时候，终凝时间超过初凝时间接近2倍以上，这是由于水泥的量大幅度减少，从而急剧降低浆液的水化速度和水化能力，当水泥的用量减少后，浆液产生强度的时间明显增大，所以浆液的凝结速度才变得缓慢。
2.1.3 析水率和结石率
不同水泥替代率下的浆液析水率和结石率变化规律如图13所示，由图13可以看出随着水泥的替代率增加，浆液的析水率在逐渐的降低，结石率在逐渐的升高，说明废弃蒸压加气混凝土砌块粉末的掺入会提高浆液的稳定性，同时因结石率的升高也会使采空区地基注浆效果变得更佳。除了这个规律外，通过图中还可以得出同一组配比的浆液析水率和结石率加和等于1，这表明凝固的试件在它养护的阶段几乎不会出现明显的膨胀和收缩。
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图 13 不同替代率下的析水率和结石率Figure 13. Water evolution rate and stone rate at different replacement rates2.1.4 抗压强度
不同组配比的浆液制成的试件每个养护龄期的抗压强度变化规律如图14所示，通过图14中可以看出，试件的养护龄期增加时，试件的抗压强度也会随之增大，用部分废弃蒸压加气混凝土砌块粉末代替水泥时，试件的抗压强度与对照组相比会急剧的下降，并且随着替代率的增加，每个养护龄期的试件所测的抗压强度都在不断地降低，这是因为当水泥的用量减少后，试件中产生的胶凝物质也会随之减少，而研磨后的废弃蒸压加气混凝土砌块粉末活性没有水泥的活性高，很难对后期的试件强度作出补充，所以各个养护龄期期间试件的抗压强度均在降低，但从28 d养护龄期的强度考虑，只有替代率为50%和60%的抗压强度大于2 MPa，符合采空区地基注浆的强度指标。
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图 14 不同水泥替代率下各个养护龄期的抗压强度Figure 14. Tower strength of each age at different replacement rates2.1.5 流动性
流动性表征在注浆过程中的浆液可注性，可以直接影响浆液的扩散半径，同时也决定着注浆压力、流量等参数的确定，图15表示的是浆液的扩散半径。由图中试验结果可以看出随着水泥替代率的增大，浆液的扩散半径在减小，但减小的数值并不是很大，而且在水泥替代率为80%时浆液的扩散半径与对照组的扩散半径接近相同。在2.1.1节中黏度指标同样也反映出随着替代率的增加，浆液的可注性与流动性与对照组相比均符合采空区地基注浆的最适宜的效果。
对上述WAACBP−水泥浆液的析水率、结石率、黏度、凝结时间、流动性和抗压强度的众多结果分析，每组浆液与对照组纯水泥浆液相比，从析水率低、结石率高、黏度相接近、凝结时间增加、流动性增加来说，各组浆液均可作为采空区地基注浆的浆液，但是因采空区地基注浆的要求是浆液28 d抗压强度要大于2 MPa, 所以对于WAACBP−水泥浆液只能选择替代率是50%，60%的配比，从经济角度分析，由于废弃蒸压加气混凝土砌块的造价肯定比水泥的低，所以选择替代率为60%的配比作为采空区地基注浆的浆液最为合适。
2.2 WCGP−水泥浆液性能分析
2.2.1 黏 度
图16表示了不同替代率下的浆液黏度变化规律。由图16可以看出，当水泥被煤矸石粉末代替后，浆液中的胶凝物质变少，黏度减小，可注性变好。除此以外还能通过图中信息看出，随着煤矸石粉末的增加，水泥用量的减少，浆液的黏度也会随之降低，且与对照组相比，黏度降低很多，证明浆液在采空区地基注浆充填指标中可注性很好。
2.2.2 凝结时间
不同掺量的废弃煤矸石粉末代替水泥用量下的浆液凝结时间以及与上一种WAACBP−水泥浆液的初终凝时间增长率变化如图17所示。由图17a可以看出部分水泥被废弃煤矸石粉末代替制成的浆液其凝结时间明显延长，并且随着煤矸石粉末量的增加，浆液的初凝时间和终凝时间均在不断延长。由图17b可以看出，在替代率为50%、60%、70%时的初凝时间增长率接近正比关系，当替代率达到80%时初凝时间急剧增加。而终凝时间的增长率是在替代率超过60%以后出现了迅速的增大。
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图 17 不同水泥替代率下凝结时间和增长率Figure 17. Setting time and growth rate at different substitution rates2.2.3 析水率和结石率
不同煤矸石粉末代替水泥用量下浆液的析水率和结石率变化规律如图18所示，通过图18中变化率可以看出在相同的替代率时析水率和结石率之和等于1，说明浆液在析水结束后，在凝结和养护阶段不会出现明显的膨胀和收缩变化。另外浆液的析水率随着替代率的增加而逐渐升高，结石率逐渐降低，说明煤矸石粉末的掺量越高，浆液的稳定性和充填效果越差。煤矸石粉末颗粒的结构致密，几乎没有吸水性，而且煤矸石粉末不会像水泥一样迅速水化，因此当煤矸石粉末掺量越多，浆液中的自由水变得更多，从而使浆液的析水率变高，结石率降低。在图中还可以发现，当水泥替代率为50%和60%的时候，浆液的析水率均低于对照组的析水率，结石率均大于纯水泥浆液的结石率，而替代率为70%和80%时，对比对照组的析水率和结石率，浆液的析水率太高，结石率太低。这很可能是因为当水泥的掺量减少，浆液中所含的水泥颗粒比较分散，水与水泥能够快速地充分反应，从而会让浆液中的自由水减少，析水率降低；但是当水泥的掺量变得越来越少，这时替代率对于析水率的影响远大于水泥水化的影响，所以浆液的析水率在不断地增加，结石率在不断地减少。
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图 18 不同水泥替代率下析水率和结石率Figure 18. Water evolution rate and stone rate at different replacement rates2.2.4 抗压强度
不同组配比下，每个养护龄期的抗压强度变化规律如图19所示。通过图中可以看出，随着每个试件的养护龄期变长，试件的抗压强度逐渐上升。当部分水泥被煤矸石粉末代替时，试件的抗压强度明显降低，并且随着替代率的增加，每一阶段试件养护期的抗压强度随之降低。这是因为替代率增加后水泥的用量明显减少，浆液中产生的胶凝物质减少，虽然研磨后的煤矸石粉末具有活性，但是如果作为胶凝材料的话，胶凝效果明显不如水泥的好，所以用煤矸石粉末代替水泥用量时，结石体的抗压强度会随着替代率的增加而逐渐降低。
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图 19 不同水泥替代率各个养护龄期的抗压强度Figure 19. Tower strength of each age at different replacement rates2.2.5 流动性
煤矸石粉末和水泥在不同组配比下的浆液扩散半径规律如图20所示。通过图20中可以看出，随着煤矸石粉末的增加，水泥用量的减少，浆液的扩散半径呈现急剧增大的趋势。这很有可能与黏度变化机理相对应，由于水泥用量的减少，浆液中的胶凝物质减少，以至于浆液的黏度很低，它的扩散半径就会变得很大，流动性变得很好。
对上述WCGP−水泥浆液的析水率、结石率、黏度、凝结时间、流动性和抗压强度的众多结果分析，每组浆液与对照组纯水泥浆液相比，从黏度降低凝结时间增加、流动性增加来说，各组浆液均可作为采空区地基注浆的浆液，但是在析水率和结石率、抗压强度的角度考虑替代率为70%和80%时，析水率比对照组的高，结石率比对照组的低，不符合要求；采空区地基注浆的要求是浆液28 d抗压强度要大于2 MPa，替代率为80%的浆液抗压强度不符合要求, 所以对于WCGP−水泥浆液只能选择替代率是50%，60%的配比，从经济角度分析，由于废弃煤矸石的造价肯定比水泥的低，所以选择替代率为60%的配比作为采空区地基注浆的浆液最为合适。
3. 讨 论
既往很多学者对煤矿采空区地基加固方面做了很多的试验研究，选择了不同的注浆材料，例如粉煤灰−水泥浆液、废弃混凝土−水泥浆液、废弃砖粉−水泥浆液等。本次试验研究的原材料主要是废弃的固体材料加水泥制成的浆液，因此选择与废弃混凝土−水泥浆液[30]和废弃砖粉−水泥浆液[31]进行对比分析，如图21所示。
根据废弃混凝土粉−水泥浆液中显示的最优配比是70%混凝土粉替代率加0.05%减水剂的浆液(WCP70WR0.05)，对其黏度、析水率、结石率和抗压强度与本文的2种材料进行对比。60%水泥替代率的WAACBP−水泥浆液与废弃混凝土粉−水泥浆液相比，黏度值相似，析水率降低了14.3%，结石率高出1.9%，初凝时间和终凝时间减少了25.2%和30.2%，28 d抗压强度增加了28%。与废弃砖粉−水泥浆液的两组最优配比砖粉替代率70%膨润土10%减水剂0.15%(WBP70B10WR0.15)和砖粉替代率65%膨润土15%减水剂0.35%(WBP65B15WR0.35)对比，黏度值接近相似，两组配比的析水率均降低约54.4%，结石率提高了接近4.1%，抗压强度提高了39.1%和14.3%，初终凝结时间比两组配比大幅度的降低但其初凝时间符合采空区注浆材料的指标。结合以上数据表明60%替代率的WAACBP−水泥浆液更适宜用于采空区地基加固注浆材料。
60%的WCGP−水泥浆液与上述3种浆液进行数据对比分析得知，其析水率增加，结石率降低，黏度值相近，凝结时间减少，抗压强度提高。虽然在这些指标中WCGP−水泥浆液的性能没有上述3种浆液的效果好，但是WCGP浆液的每个指标均符合煤矿采空区地基注浆材料的要求。在施工地点取材方面，煤矸石主要来自煤矿作业中的产物，比废弃混凝土和废弃砖取材方便。从绿色环保角度分析煤矸石有很大的危害，包括自燃危害、对生态环境及土地的破坏、煤矸石淋溶水污染和地质灾害。结合煤矸石的危害远大于废弃混凝土和废弃砖的危害以及结合施工地点取材方面考虑，WCGP−水泥浆液比上述3种注浆浆液更适合作为煤矿采空区地基加固的注浆浆液。
4. 结 论
1) WAACBP−水泥浆液在考虑采空区地基结石体抗压强度要求下，选择50%、60%的质量替代率下的浆液。再从经济方面考虑优先选择质量比WAACGP：水泥为6∶4的配比方案。
2) WCGP−水泥浆液在考虑采空区地基注浆的析水率和结石率情况下，可以选择50%、60%和70%的质量替代率的浆液，但在结石体抗压强度要求下，选择50%、60%的质量替代率下的浆液。再从经济方面考虑优先选择质量比WCGP:水泥为6∶4的配比方案。
3) 对比两种材料质量比为6∶4的配比方案，WCGP−水泥浆液在抗压强度、凝结时间和流动性方面均比WAACBP−水泥浆液高，在析水率和结石率方面两种材料浆液均符合采空区地基注浆的可注性好和结石率高的要求。在研磨2种粉末过程中虽然煤矸石比蒸压加气混凝土砌块更加地耗费能量但是从绿色环保角度考虑，煤矸石比蒸压加气混凝土更需要被处理，所以，在两种浆液之间应优选WCGP−水泥浆液作为采空区地基加固的注浆浆液。
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图 1 采动煤岩体孕突过程力学加卸载路径
Figure 1. Mechanical loading or unloading path of mining coal/rock mass during outbursts inoculation process
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图 8 不同应力路径下煤体应力与声发射AE事件数时域特征
Figure 8. Time domain characteristics of stress and AE event number of coals under different stress paths
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图 9 不同应力路径下煤体应力与声发射累积事件数演化特点
Figure 9. Evolution characteristics of stress and cumulative AE event number of coals under different stress paths
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图 10 不同应力加卸载模式下煤体裂纹发育量分布
Figure 10. Distribution of crack generation under different stress loading or unloading modes
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图 11 不同应力路径下煤体裂纹发育变化速率
Figure 11. Crack development rate of coals under different stress paths
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图 12 不同应力路径下煤体裂纹玫瑰云图
Figure 12. Rose cloud diagram of cracks in coals under different stress paths
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图 13 不同应力加卸载模式下最大主应力−应变曲线
Figure 13. Maximum principal stress-strain curve under different stress loading or unloading modes
表 1 型煤试样力学参数
Table 1 Mechanical parameters of briquette sample
样品 视密度/(kg·m−3) 抗拉强度/MPa 抗压强度/MPa 弹性模量/MPa 泊松比 黏聚力/MPa 内摩擦角/(°) 型煤 1390 0.74 5.02 140.4 0.41 1.67 39 
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表 2 数值模拟细观参数
Table 2 Physical parameters of numerical simulation
模型单元 细观参数 数值 颗粒 颗粒数N/个 11617 直径d/mm 1～2 密度ρ/(kg·m−3) 1390 孔隙率φ/% 10 接触 弹性模量E/Pa 2.09×108 刚度比K* 2.5 法向抗拉强度σc/Pa 9.35×106 黏聚力c/Pa 5.35×106 摩擦因数μc 0.4 摩擦角ϕ/(°) 30 胶结间距gc/mm 0.1
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表 3 应力加卸载模式
Table 3 Stress loading or unloading types
加卸载
路径加卸载速率 Z轴(最大主应力σ1) Y轴(中间主应力σ2) X轴(最小主应力σ3) 路径① 以8 mm/s进行加载 以3 MPa压力伺服 以1 mm/s进行卸载 以4 mm/s进行卸载 以8 mm/s进行卸载 路径② 以8 mm/s进行加载 以1 mm/s进行卸载 以8 mm/s进行卸载 以8 mm/s进行卸载 以8 mm/s进行卸载 路径③ 以8 mm/s进行加载 以8 mm/s进行加载 突然卸载至1 MPa 突然卸载至0.01 MPa 路径④ 以1 mm/s进行加载 以1 mm/s进行加载 以1 MPa压力伺服 以8 mm/s进行加载 以4 mm/s进行加载 以1 MPa压力伺服 以8 mm/s进行加载 以8 mm/s进行加载 以1 MPa压力伺服
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1. 崔巍，胡翱翔，卓颖琪，周健龙. 废弃加气混凝土综合利用研究现状及展望. 广东土木与建筑. 2024(07): 99-102 . 
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