·1190· 工程科学学报，第40卷，第10期 14 80 12 …5%量 12% …10%掺量 1.0 ---15%搀量 g10 -一20%掺量 容重，y 65 0.8 -…25%量 日干容重，% -.30%掺量 6 合含水率，d 0.6 纯高水材料 55 ⑧ 50 0.4 45 101520 25 % 02 粉煤灰掺量，a% 0.03 0.06 0.09 0.120.15 图3不同粉煤灰掺量下高水材料的容重和含水率 应变 Fig.3 Bulk density and moisture content of high-water-content mate- 图4不同粉煤灰参量高水材料的应力-应变曲线 rials of varying fly ash content Fig.4 Stress-strain curve of high-water-content materials of varying 从图3中可以看出，随着粉煤灰掺量的增加，高 fly ash content 水材料的容重和干容重有逐渐增加的趋势，但增幅 1.0 不大，当掺量为30%时，与未掺杂高水材料相比其 0.9lg 容重和干容重分别增加了4.7%和18.8%，且其容 0.82B 0.7 重范围为12~13kN·m-3,千容重范围为3~4kN· m3.含水率随着粉煤灰掺量的增加略有降低，当粉 煤灰摻量为30%时，含水率仅降低了约8.0%，且当 国04 0.3 高水材料水灰比3：1时其含水率在70%左右. 0.2 OA阶段 AB阶段 BC阶段 CD阶段 2.2力学参数 01 高水材料应用于矿井充填时，强度决定了其对 0.02 0.040.060.080.100.120.140.160.18 应变 顶板的支撑能力，特别是后期强度的大小，直接决定 图5高水材料的破坏过程 了高水材料的充填寿命：模量决定了高水材料适应 Fig.5 Destruction progress of high-water-content materials 围岩变形的能力，变形过程则直接影响高水材料与 围岩的相互作用关系.因此本文主要研究了不同粉 斜率略微增大，曲线呈上凹型.这主要是由于在荷 煤灰掺量下，高水材料的变形破坏过程、强度和模量 载作用下，材料内部分子的纵向排列逐渐致密造成 的变化规律 的，该阶段内材料表面无明显变化 2.2.1变形破坏过程 第二阶段(AB段，弹性阶段)：曲线特点是斜率 高水材料的应力-应变曲线是高水材料的一个 为常数，图形呈直线型，应力增加较快，应变增加很 重要技术指标，这个指标表明高水材料的破坏是属 小，为材料的弹性变形阶段.该阶段内材料表面开 于脆性破坏还是其他弹性破坏，并能从中分析高水 始出现水珠，并伴随有微裂缝产生.这主要是由于 材料的变形特性.不同粉煤灰掺量高水材料的全应 材料内的游离水受压挤出，导致材料表面开裂.高 力-应变曲线如图4所示. 水材料处于该阶段时，充填体产生较小的变形，就可 从图4可以看出，掺杂粉煤灰前后高水材料均 以对顶板产生较大的支撑作用，因此该阶段内充填 是一种典型的弹塑性材料，充填体受力后能迅速达 体能较好地控制顶板的下沉量. 到一定的强度，且产生一定的变形量以控制和适应 第三阶段(BC段，屈服阶段)：曲线逐渐弯曲， 围岩变形，即具有适应围岩变形的可缩性，同时破坏 斜率减小，并出现拐点，应力达到峰值，并维持一段 后仍具有一定的残余强度，这对巷旁支护设计以及 时间.该阶段内材料表面出现大量水珠并汇集成水 构筑填充带来说是至关重要的.从图中还可以看 流，裂缝开始逐渐扩展.这主要是由于材料由弹性 出，高水材料的变形破坏过程大致可以分为四个阶 区过度到塑形区，裂纹扩展所导致.该阶段高水材 段，如图5所示，图中（σ1,81）和（σ2,82）分别为弹 料充分体现了良好的可塑性，这种特性使充填体能 性阶段起点和终点的（应力，应变），σ为峰值强度， 充分适应围岩的变形 σ，为残余强度 第四阶段(CD段，破坏阶段)：曲线逐渐下降， 第一阶段(OA段，孔隙压密阶段)：曲线特点是 即应力值逐渐减小，变形急剧增大，但应力值下降到工程科学学报,第 40 卷,第 10 期 图 3 不同粉煤灰掺量下高水材料的容重和含水率 Fig. 3 Bulk density and moisture content of high鄄water鄄content mate鄄 rials of varying fly ash content 从图 3 中可以看出,随着粉煤灰掺量的增加,高 水材料的容重和干容重有逐渐增加的趋势,但增幅 不大,当掺量为 30% 时,与未掺杂高水材料相比其 容重和干容重分别增加了 4郾 7% 和 18郾 8% ,且其容 重范围为 12 ~ 13 kN·m - 3 ,干容重范围为 3 ~ 4 kN· m - 3 . 含水率随着粉煤灰掺量的增加略有降低,当粉 煤灰掺量为 30% 时,含水率仅降低了约 8郾 0% ,且当 高水材料水灰比 3颐 1时其含水率在 70% 左右. 2郾 2 力学参数 高水材料应用于矿井充填时,强度决定了其对 顶板的支撑能力,特别是后期强度的大小,直接决定 了高水材料的充填寿命;模量决定了高水材料适应 围岩变形的能力,变形过程则直接影响高水材料与 围岩的相互作用关系. 因此本文主要研究了不同粉 煤灰掺量下,高水材料的变形破坏过程、强度和模量 的变化规律. 2郾 2郾 1 变形破坏过程 高水材料的应力鄄鄄应变曲线是高水材料的一个 重要技术指标,这个指标表明高水材料的破坏是属 于脆性破坏还是其他弹性破坏,并能从中分析高水 材料的变形特性. 不同粉煤灰掺量高水材料的全应 力鄄鄄应变曲线如图 4 所示. 从图 4 可以看出,掺杂粉煤灰前后高水材料均 是一种典型的弹塑性材料,充填体受力后能迅速达 到一定的强度,且产生一定的变形量,以控制和适应 围岩变形,即具有适应围岩变形的可缩性,同时破坏 后仍具有一定的残余强度,这对巷旁支护设计以及 构筑填充带来说是至关重要的. 从图中还可以看 出,高水材料的变形破坏过程大致可以分为四个阶 段,如图 5 所示,图中(滓1 ,着1 )和(滓2 ,着2 )分别为弹 性阶段起点和终点的(应力,应变),滓c为峰值强度, 滓r为残余强度. 第一阶段(OA 段,孔隙压密阶段):曲线特点是 图 4 不同粉煤灰掺量高水材料的应力鄄鄄应变曲线 Fig. 4 Stress鄄鄄strain curve of high鄄water鄄content materials of varying fly ash content 图 5 高水材料的破坏过程 Fig. 5 Destruction progress of high鄄water鄄content materials 斜率略微增大,曲线呈上凹型. 这主要是由于在荷 载作用下,材料内部分子的纵向排列逐渐致密造成 的,该阶段内材料表面无明显变化. 第二阶段(AB 段,弹性阶段):曲线特点是斜率 为常数,图形呈直线型,应力增加较快,应变增加很 小,为材料的弹性变形阶段. 该阶段内材料表面开 始出现水珠,并伴随有微裂缝产生. 这主要是由于 材料内的游离水受压挤出,导致材料表面开裂. 高 水材料处于该阶段时,充填体产生较小的变形,就可 以对顶板产生较大的支撑作用,因此该阶段内充填 体能较好地控制顶板的下沉量. 第三阶段(BC 段,屈服阶段):曲线逐渐弯曲, 斜率减小,并出现拐点,应力达到峰值,并维持一段 时间. 该阶段内材料表面出现大量水珠并汇集成水 流,裂缝开始逐渐扩展. 这主要是由于材料由弹性 区过度到塑形区,裂纹扩展所导致. 该阶段高水材 料充分体现了良好的可塑性,这种特性使充填体能 充分适应围岩的变形. 第四阶段(CD 段,破坏阶段):曲线逐渐下降, 即应力值逐渐减小,变形急剧增大,但应力值下降到 ·1190·