张钊等：改性高水材料抗压、抗剪强度特征及对比分析 557 460 440 。-3d 5000倍放大图，图10(c)和图10(d)是G类试件材 ◆-7d 420 -14d 料的3000倍和5000倍放大图.从图10可以看出 400 ·-28d PE粉掺量较少时，生成物呈细小长条状，内部结 380 构呈纤维网状特征，纤维状的物质相互穿插交错 3 搭接，结合较为紧密，但是也有较小的孔洞存在： 当材料中PE粉的质量分数达到20%时，生成物呈 300 短小棱柱状，内部呈现明显的絮凝块状而非纤维 280 网状结构，而且较多粗短的物质排列散乱，有明显 260 E G 的大孔洞存在.而且从图10中可以看出两种不同 Type of specimen 的PE粉掺量材料的均有孔隙存在，纤维网状的结 图7不同养护龄期的掺PE粉高水材料剪切强度 构不易形成较大的贯穿孔洞，结构较为密集；而絮 Fig.7 Shear strengths of PE-doped high-water materials with different 凝块状的结构则容易产生较大的孔洞，且容易贯 curing ages 穿，结构较为疏松.这反映在试件的力学性质方面 即为纤维网状结构的材料试件强度大于絮凝块状 结构试件强度 4讨论 对高水材料进行抗压以及剪切试验，结果发 现材料的抗压强度远大于抗剪强度，这说明高水 材料在用于煤矿充填时，不宜充填于有较大的剪 切荷载即煤层倾角较大的情况.不同倾角的高水 2345678910 材料充填体受力形式如图11所示(A为采空区， 1 B为高水材料充填体，C为巷道) 水平煤层的高水材料充填体所受载荷为采空 图8高水材料试件直剪 Fig Photograph of high-water material specimen with straight shear 区上部覆岩的重力，即竖向的载荷P.而对于有倾 角的煤层，高水充填体所受的载荷亦为采空区上 材料较好地混合，但试验中发现有部分PE粉未能 部覆岩的重力，但形成了两种作用效果，垂直煤层 完全混合，因此后续研究中可以考虑选用较为密 倾向的载荷一轴向力P0和沿煤层倾向的载荷一 实的塑料颗粒，以便材料完全混合 剪切力p1,其中剪切力p1随着煤层倾角0的增加 3微观形貌分析 而变大，这对于抗剪强度较小的高水材料来说是 不利于发挥其充填作用的，很可能会导致充填体 图10是改性高水材料的微观形貌SEM图 发生剪切破坏从而失去充填效果.有关高水材料 图10(a)和图10(b)是D类试件材料的3000倍和 的研究与运用3-2都表明：高水材料用于沿空留 (a) (b) (c) (d) (e) 因9不同掺量PE粉高水材料剪切破坏形式.(a)C:(b)D:(c)E:(d)F:(d)G Fig.9 Photographs of the shear failures of high-water materials with different amounts of PE powder:(a)C;(b)D:(c)E;(d)F;(d)G材料较好地混合，但试验中发现有部分 PE 粉未能 完全混合，因此后续研究中可以考虑选用较为密 实的塑料颗粒，以便材料完全混合. 3    微观形貌分析 图 10 是改性高水材料的微观形貌 SEM 图. 图 10（a）和图 10（b）是 D 类试件材料的 3000 倍和 5000 倍放大图，图 10（c）和图 10（d）是 G 类试件材 料的 3000 倍和 5000 倍放大图. 从图 10 可以看出 PE 粉掺量较少时，生成物呈细小长条状，内部结 构呈纤维网状特征，纤维状的物质相互穿插交错 搭接，结合较为紧密，但是也有较小的孔洞存在； 当材料中 PE 粉的质量分数达到 20% 时，生成物呈 短小棱柱状，内部呈现明显的絮凝块状而非纤维 网状结构，而且较多粗短的物质排列散乱，有明显 的大孔洞存在. 而且从图 10 中可以看出两种不同 的 PE 粉掺量材料的均有孔隙存在，纤维网状的结 构不易形成较大的贯穿孔洞，结构较为密集；而絮 凝块状的结构则容易产生较大的孔洞，且容易贯 穿，结构较为疏松. 这反映在试件的力学性质方面 即为纤维网状结构的材料试件强度大于絮凝块状 结构试件强度. 4    讨论 对高水材料进行抗压以及剪切试验，结果发 现材料的抗压强度远大于抗剪强度，这说明高水 材料在用于煤矿充填时，不宜充填于有较大的剪 切荷载即煤层倾角较大的情况. 不同倾角的高水 材料充填体受力形式如图 11 所示（A 为采空区， B 为高水材料充填体，C 为巷道）. 水平煤层的高水材料充填体所受载荷为采空 区上部覆岩的重力，即竖向的载荷 p. 而对于有倾 角的煤层，高水充填体所受的载荷亦为采空区上 部覆岩的重力，但形成了两种作用效果，垂直煤层 倾向的载荷——轴向力 p0 和沿煤层倾向的载荷—— 剪切力 p1 . 其中剪切力 p1 随着煤层倾角 θ 的增加 而变大，这对于抗剪强度较小的高水材料来说是 不利于发挥其充填作用的，很可能会导致充填体 发生剪切破坏从而失去充填效果. 有关高水材料 的研究与运用[23−25] 都表明：高水材料用于沿空留 C E F G D 260 460 440 Shear stress/kPa Type of specimen 3 d 7 d 14 d 28 d 400 420 280 320 300 340 380 360 图 7    不同养护龄期的掺 PE 粉高水材料剪切强度 Fig.7    Shear strengths of PE-doped high-water materials with different curing ages 图 8    高水材料试件直剪 Fig.8    Photograph of high-water material specimen with straight shear (a) (b) (c) (d) (e) 图 9    不同掺量 PE 粉高水材料剪切破坏形式. （a）C；（b）D；（c）E；（d）F；（d）G Fig.9    Photographs of the shear failures of high-water materials with different amounts of PE powder: (a) C; (b) D; (c) E; (d) F; (d) G 张    钊等： 改性高水材料抗压、抗剪强度特征及对比分析 · 557 ·