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矿井火灾对矿山充填膏体劣化规律试验研究
2019-12-30
为研究矿井火灾对充填膏体抗压强度的影响,分别设置 4 个高温(200 ℃,400 ℃,600 ℃,800 ℃)和 4 个受热时间(60 min,100 min,140 min,180 min)模拟矿井火灾产生的温度和火灾持续的时间,以喷水冷却和自然冷 却来模拟火灾的熄灭方式,对高温后充填膏体进行了单轴压缩实验,系统研究了高温后充填膏体剩余抗压强度与 受热温度、受热时间的关系,通过扫描电子显微镜(SEM)分析充填膏体内部微观结构。结果表明:受热温度和受热 时间对充填膏体强度均存在影响,充填膏体在受热温度较低、受热时间较短时抗压强度出现小幅度增长,随试验进 行,强度陡然下降,其损失最高达到 50%...
Series No. 522 金 属 METAL MINE 矿 山 总第 522 期 2019 年第 12 期 December 2019 ·安全与环保· 矿井火灾对矿山充填膏体劣化规律试验研究 施现院1 李 浩2 刘 音2 张浩强31 ( 1. 山东康格能源科技有限公司,山东 济宁272000;2. 山东科技大学矿业与安全工程学院,山东 青岛 266590; 3 . 中色国际帕鲁特有限责任公司,北京100089) 摘 要 为研究矿井火灾对充填膏体抗压强度的影响,分别设置 4 个高温(200 ℃,400 ℃,600 ℃,800 ℃)和 4 个受热时间(60 min,100 min,140 min,180 min)模拟矿井火灾产生的温度和火灾持续的时间,以喷水冷却和自然冷 却来模拟火灾的熄灭方式,对高温后充填膏体进行了单轴压缩实验,系统研究了高温后充填膏体剩余抗压强度与 受热温度、受热时间的关系,通过扫描电子显微镜(SEM)分析充填膏体内部微观结构。结果表明:受热温度和受热 时间对充填膏体强度均存在影响,充填膏体在受热温度较低、受热时间较短时抗压强度出现小幅度增长,随试验进 行,强度陡然下降,其损失最高达到 50%,当温度到达 800 ℃左右,强度下降幅度趋于平缓;充填膏体内部的自由水 蒸发,结晶水、石英晶体和水泥水化产物的分解是影响充填膏体抗压强度的主要因素。喷水冷却相比自然冷却下 对充填膏体强度影响较大,通过 SEM 分析充填膏体在高温作用下呈现“较疏松—密实—疏松—开裂”的过程演化。 关键词 充填膏体 受热温度 受热时间 抗压强度 中图分类号 TD315 文献标志码 A 文章编号 1001-1250(2019)-12-168-05 DOI 10.19614/j.cnki.jsks.201912029 Experimental Study on Deterioration Law of Filling Paste by Mine Fire 1 2 2 32 Shi Xianyuan Li Hao Liu Yin Zhang Haoqiang ( 1. Shandong Kangge Energy Technology Co.,Ltd.,Jining 272000,China;2. School of Mining and Safety Engineering, Shandong University of Science and Technology,Qingdao 266590,China;3. China Color International Parut Co.,Ltd., Beijing 100089,China) Abstract In order to study the effect of mine fire on the compressive strength of the filling paste,four high tempera‐ tures(200 ℃,400 ℃,600 ℃,800 ℃)and heating time(60 min,100 min,140 min,180 min)were set to simulate the temperature generated by the mine fire and the firing duration. The water cooling and natural cooling were used to simulate the extinguishing mode of the fire. The uniaxial compression experiment was carried out on the filling paste after high temperature. The relationship of residual compressive strength and the heating temperature,heating time of the filling paste after high tem‐ perature was systematically studied. The scanning electron microscopy(SEM)was adopted to analyze the internal microstruc‐ ture of the filling paste. The results show that the heating temperature and heating time have an effect on the strength of the fill‐ ing paste. When the heating temperature is low and the heating time is short,the compressive strength of the filling paste in‐ creases slightly,and then drops sharply with maximum loss of 50%. When the temperature reaches about 800 ℃,the intensi‐ ty decreases gently again;The evaporation of free water inside the filling paste,and the decomposition of crystal water, quartz crystal and cement hydration product are the main factors affecting the compressive strength of the filling paste. The wa‐ ter cooling has a greater influence on the strength of the filling paste than that the natural cooling. The SEM analysis shows that the filling paste exhibits a process of "more loose-dense-loose-cracking" under high temperature. Keywords Filling paste,Heating temperature,Heating time,Compressive strength 矿山膏体充填作为一种绿色开采技术,能够有 气的存在,导致矿井火灾频繁发生,而矿井火灾引起 的高温和火灾的持续时间对井下充填膏体的力学性 能产生不利影响,对矿山安全回采将造成严重威 [1] 效解决地表沉陷和“三下”压煤问题 ,但矿山井下热 源(煤自燃、瓦斯爆炸)、可燃物(油料、煤尘)以及空 收稿日期 · 168 · 施现院等:矿井火灾对矿山充填膏体劣化规律试验研究 胁 。因此,开展高温引起充填膏体力学性能劣化机 2019年第12期 [2] 设置 4 个高温(200 ℃,400 ℃,600 ℃,800 ℃)和 4 个 受热时间(60 min,100 min,140 min,180 min)来模拟 矿井火灾产生的温度和火灾持续时间,以喷水冷却 和自然冷却来模拟火灾的熄灭方式,对高温后充填 膏体进行了单轴压缩实验,系统研究了高温后充填 膏体剩余抗压强度与受热温度、受热时间的耦合关 系,通过 SEM 对充填膏体微观结构进行分析,为矿井 火灾后充填膏体结构的加固提供理论和实践依据。 1 试验方案 理研究对预测充填工程稳定性影响具有十分重要理 论意义和实际工程价值。 目前,关于高温对充填膏体力学性能劣化机理 研究较少,本项目将参考国内外学者对岩石和混凝 土力学性能的研究来分析高温对充填膏体力学性能 的影响。岩石、混凝土与充填膏体从所处环境、结构 性质都有相似之处,文献[3-7]通过试验系统分析了 岩石在不同温度下对岩石的力学强度、变形和破坏 模式的影响,研究表明:岩石内部矿物成分的热膨胀 性不同等因素使得岩石内部产生附加热应力,从而 使得岩石内部的初始裂纹发生扩展、贯通或产生新 裂纹,进而影响井壁及围岩的稳定性。Mohamedb‐ 1. 1 试验材料 (1)水泥。采用山东山水水泥集团有限公司生 产的32.5号普通硅酸盐水泥,其主要成分见表 1。 [ 8] hai 通过对混凝土试块进行 20~800 ℃的加热试验, 分析了受火温度、加热速率对抗压强度的影响,结果 表明超过 1 h 的受火灾时间对混凝土的残余强度有 [9] 显著的影响;Poon C S 等 研究了火灾后养护对混凝 土强度恢复的影响,对高温后的混凝土进行 28 d 和 5 6 d 的养护,恢复后进行了抗压强度试验,试验发现 加温后混凝土随着养护时间的增加,强度有所恢复, [10] (2)粉煤灰。粉煤灰来源于青岛市黄岛电厂,按 但已无法恢复到温度前的强度;Barnett 等 研究了 在不同温度下加工处理含 70%矿渣的砂浆的强度发 展情况,所有的砂浆在较高的温度下都能更迅速地 获得强度,但后期强度较低。充填膏体从材料组成 粒径为 II 级粉煤灰,0.045 mm 方孔筛筛余量为 19%, 主要的化学成分见表 2。 [11] 上属于贫混凝土一类,Walske Megan L 采用温度控 制的水化细胞,研究了复合有效应力和温度条件下 的养护对 7 d 养护期的小应变刚度的影响,以及在此 阶段结束时的无侧限抗压强度,通过高温和有效应 力的处理,可以显著提高 CPB 的力学性能,而仅在有 (3)煤矸石。煤矸石来源于山东济宁岱庄矿,化 学成分见表3,粒径级配如表4所示。 [12] 效应力或环境温度下进行固化。Wu Aixiang 等 通 过试验得出温度对充填膏体应力—应变关系和弹性 模量存在显著影响,温度的提高对水化程度具有促 进作用,从而导致抗压强度和弹性模量的增加;韩方 [13] 晖等 研究了温度对水泥—矿渣复合胶凝材料的硬 化浆体微观结构以及砂浆后期强度的影响,结果表 明:温度对纯水泥的水化程度影响很小 ,但高温 ( 60 ℃)降低了纯水泥净浆的后期抗压强度。另有研 [14] 究表明 矿井回填温度是矿山充填作业中应考虑的 重要参数。 对于以上研究,还存在以下几点不足:①缺乏火 灾产生高温的持续时间对充填体力学性能影响研 究;②缺乏火灾后充填膏体冷却方式对其力学性能 的影响研究;③缺乏充填膏体力学性能与受热温度 和受热时间之间的耦合关系的研究。本项目由以上 几点不足通过理论分析与试验研究相结合的方法, 1 . 2 试验方案设计 充填膏体依据配合比水泥∶粉煤灰∶煤矸石=1∶4∶ 6,制作成 100 mm×100 mm×100 mm 的立方体试件, 测得塌落度为 19 cm,质量浓度 72%,试件初凝时间 5 .5 h,终 凝 时 间 9.5 h,满 足 矿 井 充 填 膏 体 泵 送 要 [15] 求 。充填膏体试块受热温度分别设置为 200、400、 · 169 · 总第522期 金 属 矿 山 2019年第12期 6 00、800 ℃,受热时间分别为 60、100、140、180 min, 6510LV,标样放大倍数 40~40 万倍;加速电压 50 V~ 30 kV,连续可调;倾斜角度-10°~70°)研究充填体的 微观结构特征。 以便模拟矿井不同大小和不同持续时间的火灾情 况。共 16 种处理工况,各工况试块 3 个,共计 33 组, 9 9 个试块。为模拟矿井火灾可能出现的 2 种熄灭方 2 结果与分析 式,对各工况均考虑喷水冷却和自然冷却 2种冷却方 式,以研究冷却方式对充填膏体强度的影响。高温 试验仪器采用山东科技大学材料学院马弗炉进行高 温试验,对各工况不同冷却方式后采用 DY-2008DX 全自动压力试验机测试其单抽抗压强度(50 kN 的荷 载能力,加载速率为 0.01 mm/s),通过扫描电镜(JSM- 2. 1 受热温度对高温后充填膏体抗压强度的影响 根据试验绘制出高温后喷水冷却和自然冷却下 充填膏体抗压强度在不同受热时间,随受热温度的 变化曲线如图1所示。 根据图 1,高温后充填膏体抗压强度与受热温度 的关系归纳如下: 受热时间为 60 min 和 100 min 时,充填膏体的总 体强度变化幅度并不显著,随着受热温度升高,强度 呈现明显的波动现象。当温度不超过 400 ℃时,充填 膏体强度稍许增加,可解释为温度的升高在较短时 间传递过程中对充填膏体内部未完全水化的骨料有 促进作用,致使水化产物增多,充填膏体强度有所增 加。但当温度超过 600 ℃,充填膏体强度出现下降趋 势,其原因可归纳为两方面:一方面是充填膏体内部 的自由水和结晶水,在升温过程中吸收了大量热而 发生汽化导致内部体积膨胀,而充填膏体属于贫混 凝土,内部结构较为疏松,存在较多孔隙,水汽由于 体积急速膨胀,会沿充填膏体内部裂隙扩展,冲破过 程中少许薄孔壁,从而导致充填膏体微结构破坏;另 一方面是膏体内部的凝胶型物质如 C-S-H 等物质会 水以及水泥水化产物发生大量脱水分解导致强度大 幅度下降,同时骨料中的石英晶体发生晶体变形,体 积开始膨胀,使得原本存在的裂隙扩展,进一步形成 贯通裂缝,宏观上表现为抗压强度的下降,最大下降 幅达到50%左右。同时温度超过 600 ℃时,充填膏体 会发生稍许爆裂现象,可用混凝土爆裂机理进行解 [17] 释:即蒸气压机理与热应力机理 。蒸气压机理是 指较为密实硬化水泥浆体在高温作用下阻止水蒸气 的逸出,在混凝土内部形成蒸气压,即引发高温爆 裂;热应力机理指火灾产生的高温在混凝土内部产 生温度梯度,伴随温度梯度而产生的热应力最终引 发了爆裂。当温度增至 800 ℃时,膏体内部的结晶水 和水泥水化产物基本已全部水解,同时充填膏体表 面已出现较为明显的裂缝,因此,充填膏体强度无明 显下降趋势。 [16] 开始发生脱水分解反应 ,使得膏体强度有所下降, 由于受热时间较短,其强度下降趋势并不显著,最大 下降幅度在9%左右。 比较高温后喷水冷却和然冷却 2 种方式下充填 膏体抗压强度与受热温度曲线,可以看出喷水冷却 后的充填膏体强度降低幅度一般比自然冷却的要 大;主要原因考虑为喷水冷却导致充填膏体试块内 外温差较大,内部膨胀而外部受冷急剧收缩,导致变 形不一致,严重加剧了材料内部裂纹发展,强度下降 较为显著。 受热时间为 140 min 和 180 min 时,当温度较低 时,膏体强度稍许增加,当受热温度在 400~600 ℃时, 膏体强度随受热时间的增加出现明显下降的趋势, 当温度大于 600 ℃时,强度下降的趋势减缓。分析其 原因为温度较低时,较长的受热时间对骨料水化有 促进作用,强度依然会有少许增加,但随着受热温度 的升高和受热时间的增长,使膏体内部自由水、结合 2. 2 受热时间对高温后充填膏体抗压强度的影响 根据试验绘制出高温后喷水冷却和自然冷却下 · 170 · 施现院等:矿井火灾对矿山充填膏体劣化规律试验研究 2019年第12期 充填膏体抗压强度在不同受热温度,随受热时间的 根据图 2,高温后充填膏体抗压强度与受热时间 变化曲线如图2所示。 的关系归纳如下。 受热温度为 200 ℃时,充填膏体强度随着受热时 间的增加出现持续增大,这是由于受热温度较低,有 利于充填膏体内部部分水泥水化反应的进行,使其 强度增加;随着受热时间的增加,充填膏体经过长时 间的热传导作用,试块的内外温差基本为零,使得水 泥水化反应进一步进行,从而导致强度出现持续增 大的趋势。受热温度为 400 ℃时,充填膏体的强度变 化较为复杂,有增有减;其原因为温度的升高使得充 填膏体中多余水泥料进一步水化从而使得强度有所 提高,与此同时,随着受热时间的增加,膏体试块内 部的水分已蒸发的形式逸出,水分减少同时阻碍水 化的进行,加剧了充填膏体强度的降低,二者此消彼 长,导致强度出现波动。 钙(C-S-H)等物质已经脱水分解成 CaO、Al2O3等碱性 氧化物,喷水时碱性氧化物又开始发生二次水化反 应,重新生成少许新物质,致使强度在受热初期出现 略微增加,而自然冷却二次水化反应影响可以基本 忽略不计。随着受热时间的增加,2 种冷却方式的影 响效果区别不显著。 2. 3 SEM结果分析 为进一步探究高温对充填膏体内部结构的影 响,对各工况充填膏体取样做 SEM 分析,由于工况组 别较多,仅对受热时间为 60 min 时各温度下 SEM 图 进行分析,结果如图3所示。 受热温度为 600 ℃和 800 ℃且受热时间小于 60 min 时,充填膏体的强度下降幅度较小,这是由于受 热时间较短,膏体内部的结晶水、石英晶体以及水泥 水化物分解不完全,此时的强度损失主要可能因为 充填膏体试块内外温差较大导致内部膨胀而外部受 冷急剧收缩而出现的裂纹所致。随着受热时间的增 加试块内外温差逐渐减小,膏体内部结晶水、石英晶 体以及水泥水化物脱水分解的进行加快,此时抗压 强度下降幅度增大;当受热时间超过 140 min 时,膏 体强度下降速率有减小,主要是由于膏体内部的水 化物基本分解完成,此时的抗压强度主要为充填膏 体中骨料与砂浆之间摩擦力维持的机械抗压强度。 比较高温后喷水冷却和自然冷却 2 种方式下充 填膏体抗压强度与受热时间曲线,可以看出充填膏 体在受热初期,喷水冷却方式对充填膏体强度的影 响比自然冷却较大,其原因可解释为高温后的充填 膏体试块在喷水冷却过程中由于骤然喷水导致充填 膏体冷热不均产生较大的温度应力而导致不同方向 的变形;另一方面含有结晶水的凝胶体如水化硅酸 由图 3 可知,充填膏体在高温作用下呈现“较疏 松—密实—疏松—开裂”状态的演变。由图 3(a)可 知,充填膏体由于骨料粒径差异较大且浓度较小,在 常温状态下为较疏松的结构,内部存在较多孔隙,由 于温度的升高,充填膏体内外结构随着时间增长温 差减小,致使充填膏体内部水泥水化反应进一步加 快,水化产物增多填充了内部孔隙,即呈现如图 3(b) 所示的密实结构,在宏观上表现为抗压强度的增加。 · 171 · 总第522期 金 属 矿 山 2019年第12期 bolts[J]. Soil Dynamics and Earthquake Engineering,2017,103: 当温度达到 600 ℃时,由于结晶水分解产生的体积膨 胀产生的膨胀应力,石英晶体以及水泥水化产物的 迅速解体使支撑充填膏体内部强度的胶凝性物质大 量减少,最终导致充填膏体结构裂隙迅速扩展,如图 5 5-63. [ 6] Zhang P,Mishra B,Heasley K. Experimental investigation on the influence of high pressure and high temperature on the mechanical properties of deep reservoir rocks[J]. Rock Mechanics and Rock Engineering,2015,48(6):2197-2211. 3(c)所示。当温度达到 800 ℃时,如图 3(d)所示,充 填膏体内部的水化产物基本分解完成,背景结构仅 存在粒径大小不一的煤矸石,内部裂隙继续增多,充 填膏体表面出现明显开裂现象。 [7] Lu Y L,Wang L G,Sun X K,et al. Experimental study of the influ‐ ence of water and temperature on the mechanical behavior of mud‐ stone and sandstone[J]. Bulletin of Engineering Geology and the Environment,2017,76(2): 645-660. 3 结 论 [ 8] Mohamedbhai G T G. Effect of exposure time and rates of heating (1)受热温度和受热时间对充填膏体抗压强度 and cooling on residual strength of heated concrete[J]. Magazine of Concrete Research,1986,38(136):151-158. 均存在显著影响,在受热温度较低,受热时间较短, 膏体强度略有增加;随着受热温度升高和受热时间 的增加,膏体强度下降幅度变大,其损失在 30%~ [ 9] Poon C S,Azhar S,Anson M. Strength and durability recovery of fire-damaged concrete after post-fire-curing[J]. Cement and Con‐ crete Research,2001,31(9): 1307-1318. 4 0%,当损失超过 50% 时,强度下降速率趋于平缓。 [ 10] Barnett S J,Soutsos M N,Millard S G,et al. Strength development of mortars containing ground granulated blast-furnace slag: Effect of curing temperature and determination of apparent activation en‐ ergies[J]. Cement and Concrete Research,2006,36(3): 434-440. 充填膏体内部的自由水蒸发,结晶水、石英晶体和水 泥水化产物的分解是影响充填膏体抗压强度的主要 因素。 [ 11] Walske Megan L,McWilliam H,Doherty J,et al. Influence of cur‐ ing temperature and stress conditions on mechanical properties of cementing paste backfil[l J]. Canadian Geotechnical Journal,2016, (2)冷却方式的不同对充填膏体的抗压强度也 存在影响,受热时间相同,喷水冷却后的充填膏体强 度降低幅度一般比自然冷却的要大;受热温度相同, 受热时间较短时,自然冷却方式导致的充填膏体抗 压强度的降低要比喷水冷却方式的小些,随着受热 时间的增加,其影响并不显著。 5 3(1): 148-161. [12] Wu A X,Wang Y,Zhou B,et al. Effect of initial backfill tempera‐ ture on the deformation behavior of early age cemented paste back‐ fill that contains sodium silicate[J]. Advances in Materials Science and Engineering. 2016,1075:1-10. (3)SEM 分析得出充填膏体在高温作用下呈现 [ 13] 韩方晖,刘娟红,阎培渝 .温度对水泥-矿渣复合胶凝材料水化的 “ 较疏松—密实—疏松—开裂”状态的过程演变。 影响[J].硅酸盐学报,2016,44(8):1071-1080. Han Fanghui,Liu Juanhong,Yan Peiyu.Effect of temperature on hydration of composite binder containing slag[J]. Journal of the Chinese Ceramic Society,2016,44(8):1071-1080. 参 考 文 献 [ 1] 钱鸣高,许家林,王家臣 . 再论煤炭的科学开采[J]. 煤炭学报, [ 14] Pokharel M,Fall M. Combined influence of sulphate and tempera‐ ture on the saturated hydraulic conductivity of hardened cemented paste backfill[J]. Cement and Concrete Composites,2013,38: 21- 28. 2 018,43(1):1-13. Qian Minggao,Xu Jialin,Wang Jiachen. Further on the sustainable mining of coa[l J].Journal of China Coal Society,2018,43(1):1-13. [2] 熊 睿 . 高温对胶结充填体强度及变形特性的影响[J]. 采矿技 [ 15] Koohestani B,Belem T,Koubaa A. 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