王 １ ，熊祖强１，２ ，苏承东１，２
（１．河南理工大学 能源科学与工程学院，河南 焦作 ４５４００３；２．煤炭安全生产河南省协同创新中心，河南 焦作 ４５４００３）
摘 要：为研究改性高水材料充填支柱尺寸对承载性能的影响，在高水材料充填支柱试样中添加 ０．２％ 聚丙烯纤维进行改性，通过对比改性试样及未改性试样的单轴压缩试验结果、破坏过程及形貌， 分析其尺寸效应和破坏特征，最后通过扫描电镜（ ＳＥＭ）对试验结果进行进一步讨论。 结果表明：改 性后高水材料充填支柱尺寸效应特征不变，随高径比增大，峰值强度及峰值应变逐渐降低，弹性模量 逐渐增大；改性后试样的承载性能提高，峰值强度提高 １０．７８％，峰值应变增大 ２８．６２％；试样破坏类型 不受高径比和纤维的影响，均为“Ｘ”—劈裂型剪切组合破坏；由于纤维的阻裂效果，改性后材料试样 的整体受压稳定性显著提高；ＳＥＭ 微观形态对比可知，纤维阻止原有裂隙发育的同时延缓新裂隙的 产生，使材料具有更稳定钙矾石骨架结构，间接增大了材料强度并表现出较高的残余强度。
关键词：改性高水材料；充填支柱；尺寸效应；充填支护
０ 引 言
充填支柱作为一种新型的支护方式，工艺简单、 支护强度高、易于采煤机直接切割，能有效控制巷道 顶板稳定，可代替木垛、单体支柱等用于井下临时或 永久支护，是综采工作面过空巷、回采煤柱经济可行的支护技术［１］ 。 充填支柱一般可分为混凝土充填 支柱和高水材料充填支柱。 迄今为止，高水材料充 填支柱使用最广泛［２－３］ 。 国内外学者从材料和承载 性能等方面对高水材料充填支柱进行了大量研究。 张印等［４］研究了不同水灰比对高水材料力学特性 的影响；文献［５－６］通过聚丙烯纤维改性高水材料 力学性能的试验研究发现，纤维改性的高水材料具 有较好的承载连续性；文献［７－８］通过高水材料充 填支柱单轴压缩试验，从峰值载荷、支柱刚度和残余 载荷等方面分析了充填支柱承载性能，上述研究完 善了高水材料充填支柱的基础力学
特性体系。 然而 在实际工程应用中，高水材料充填支柱需要根据 不同巷道断面的支护需求设计不同高径比，但目 前鲜有对于高水材料充填支柱尺寸效应研究的力 学试验，缺乏对不同高径比充填支柱承载性能的 分析以及关于纤维改性后相关力学特性的对比 研究。
鉴于此，通过对比不同高径比改性高水材料充 填支柱试样及未改性材料试样的单轴压缩对照试验 结果，分析其尺寸效应；通过对比 ２ 组试样的破坏过 程和破坏后的形貌，分析其破坏特征，最后通过扫描 电镜（ＳＥＭ）对 ２ 组试样微观结构的分析，进一步讨 论试验结果，以期能为实际工程应用提供一定的理 论依据。
１ 试验材料及方案
高水材料由 Ａ 和 Ｂ 两种无机粉体组分构成，主 要表现为快凝、早强、高渗透性、结石率高、凝结时间 和强度可调等特性。 聚丙烯纤维具有良好的阻裂效 果，常作为水泥等材料的阻裂添加剂。 试验中高水 材料充填支柱中添加长度为 １０ ｍｍ，掺量为质量分 数 ０．２％聚丙烯纤维的试样，称为试验组；未添加聚 丙烯纤维的支柱试样，称为对照组。
两组高水材料充填支柱试样的水灰比（ 质量 比）均为 １．２ ∶ １。 浇筑试样时，首先将 Ａ 和 Ｂ 两种 无机粉体按配比称量，然后分别加水搅拌，最后混合 搅拌均匀后浇筑入 ３００ ｍｍ×３００ ｍｍ×３００ ｍｍ 的试 模中，１ ｈ 后脱模并将其置于温度为 ２０ ℃ 、相对湿度 大于 ９５％的标准养护箱内养护 ７ ｄ。 采用密集钻孔 取芯，按照直径 ５０ ｍｍ，高径比为 １ ∶ １ ～ ５ ∶ １ 钻取 圆柱试样，两端平行度±０．０２ ｍｍ，垂直度±０．２５°，满 足规程［９］要求，每种尺寸 ３ 个试样，部分试样如图 １ 所示。
２ 组试样制备完成后，选用 ＲＭＴ１５０－Ｂ 电液伺 服加载试验系统开展单轴压缩试验。 试验采用位移 控制的方式，轴向加载速率为 ０．００５ ｍｍ ／ ｓ，垂直方 向选用量程 １００ ｋＮ 的力传感器；垂直方向用量程 ５ ｍｍ位移传感器测量试样的轴向变形，水平方向用 ２ 个量程 ２．５ ｍｍ 位移传感器测量试样的横向变形。
图 １ 部分试样
Ｆｉｇ．１ Ｐａｒｔ ｏｆ ｓａｍｐｌｅｓ
２ 试验结果分析
２．１ 试验结果
表 １ 为 ２ 组不同高径比试样的单轴抗压强度及 变形参数测定结果，Ｈ／ Ｄ 为高径比；ＲＣ为单轴抗压 强度；ＭＰａ； εＣ为轴向应变峰值，％；ＥＣ为弹性模量， ＧＰａ；μ 为泊松比。
表 １ 单轴压缩试验结果
Ｔａｂｌｅ １ Ｕｎｉａｘｉａｌ ｔｅｓｔ ｒｅｓｕｌｔｓ
由表 １ 可知，随着试样高径比增大，支柱试样的 单轴抗压强度及轴向峰值应变逐渐降低，弹性模量 逐渐增大。 由于试样的泊松比与高径比的关系不明 确，因此不用来表征高水材料充填支柱的力学特性。
将上述试验结果整理，对每组高径比试样相同 参数结果取平均值，从单轴抗压强度，轴向应变及弹 性模量 ３ 方面分析改性高水材料充填支柱的尺寸效 应和承载性能。
２．２ 强度特征
高水材料充填支柱 ２ 组试样的单轴抗压强度随 高径比增大的变化特征如图 ２ 所示。
由图 ２ 可得，两组高水材料充填支柱试样单轴 抗压强度随着高径比增大逐渐降低，两者之间可以 材料对数函数来表征。 高水材料充填支柱试样的内 部缺陷结构会随着高水材料充填支柱试样高径比增 大相对增多，从而导致支柱的峰值强度降低。 随着 高径比从 １ ∶ １～５ ∶ １，ＲＵ从 １４．６９ ＭＰａ 降低至 １３．２０ ＭＰａ，ＲＸ从 １６．３２ ＭＰａ 降低至 １４．５６ ＭＰａ，２ 组试样 高径比－强度特征曲线呈现相同的变化趋势。 改性 后高水材料充填支柱强度均大于未改性材料，但相 同高径比试样的强度差异不大，即同高径比改性试 样的峰值强度 ＲＸ高于 ＲＵ约 １０．７８％。
ＲＸ 、ＲＵ—试验组、对照组试样单轴抗压强度；Ｒ ２—决定系数
图 ２ 不同高径比试样抗压强度特征曲线
Ｆｉｇ．２ Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｃｕｒｖｅｓ ｏｆ ｐｉｌｌａｒ ｓｐｅｃｉｍｅｎｓ ｗｉｔｈ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｈｅｉｇｈｔ－ｄｉａｍｅｔｅｒ ｒａｔｉｏ
２ 组试样的函数拟合度较高，均符合对数函数 特征。 随着高径比增大，单轴抗压强度的降低趋势 渐平缓，２ 组试样高径比在大于 ４ ∶ １ 后，高径比－强 度特征曲线变缓较为明显。
２．３ 变形特征
高水材料充填支柱试样的变形特征也随着高径 比增大呈现规律性的变化。 试样的轴向应变峰值随 高径比增大变化特征曲线如图 ３ 所示。
由图 ３ 可得，高水材料充填支柱轴向应变峰值 随着高径比增大逐渐降低，两者之间采用对数函数 来表征。 高水材料充填支柱轴向峰值应变随着高径 比增大而逐渐降低，改性后高水材料充填支柱应变 特征呈现相同的变化趋势。 随着高径比增大，εＵ从 ０．６２５％降低至 ０．４１４％，εＸ从 ０．７２６％降低至 ０．５７％。 改性试样轴向峰值应变 εＸ均大于 εＵ，相同高径比 εＸ均高于 εＵ，约 ２８．６２％。 ２ 组试样高径比大于 ４ ∶ １ 后，高径比－应变特征曲线变缓较为明显。
由于单轴抗压强度和轴向峰值应变均随着高径 比增大而减小，因此弹性模量也会呈现规律性变化。 弹性模量的变化特征曲线如图 ４ 所示。
ＥＸ 、ＥＵ—试验组、对照组试样轴向弹性模量
图 ４ 不同高径比支柱试样弹性模量特征曲线
Ｆｉｇ．４ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｃｕｒｖｅｓ ｏｆ ｅｌａｓｔｉｃ ｍｏｄｕｌｕｓ ｏｆ ｐｉｌｌａｒｓ ｗｉｔｈ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｈｅｉｇｈｔ－ｄｉａｍｅｔｅｒ ｒａｔｉｏ
如图 ４ 所示，高水材料充填支柱弹性模量随着 高径比增大逐渐降低，两者之间采用对数函数表征 为。 ＥＸ与 ＥＵ具有相同的尺寸效应特征，随着高径比 增大，ＥＵ 从 ２． ３７ ＧＰａ 增大至 ３． １９ ＧＰａ，ＥＸ 从 ２． ２８ ＧＰａ 增大至 ２．６０ ＧＰａ，２ 组试样均呈现相同的变化 趋势。 同高径比的 ＥＸ均小于 ＥＵ，降低约为 １３．２０％， 当高径比大于 ４ ∶ １ 后弹性模量增长趋势变平缓。
综上可知，改性高水材料充填支柱具有尺寸效 应， 单轴抗压强度及轴向峰值应变均随着高径比的 增大而减小，弹性模量随着高径比增大而增大，变化 特征均符合对数函数变化特征。 高径比大于 ４ ∶ １ 后，各项力学参数变化趋势减缓；同时改性后高水材 料试样的单轴抗压强度提高约 １０．７８％，轴向应变峰 值提高约 ２８．６２％，具有更好的承载性能。
２．４ 破坏特征
２．４．１ 应力－应变特征曲线
试样单轴压缩全应力－应变曲线能够反映试样 整体从受压直至破坏过程中的力学特性［１０－１６］ 。 选 取同一种高径比的 ２ 组试样，对比分析试样的破坏 特征。 图 ５ 为高径比是 ４ ∶ １ 两组试样的全应力－应 变曲线。
由图 ５ａ 可知，对照组试样为典型的脆性材料， 弹性阶段不明显，应变较小，到达峰值强度后立即破 坏，完全失去承载能力；由图 ５ｂ 可知，改性后高水材 料充填支柱试样在塑性变形阶段、峰后破坏阶段有 较为明显的区别，试验组试样有更为明显的塑性变 形阶段，塑性变形区明显，并且在峰值破坏后表现出 良好的残余强度。
高径比过小时，端部剪切效应会相互叠加，试样 均会呈现残余强度，使对比效果不明显。 因此选取 高径比从 ３ ∶ １ ～ ５ ∶ １ 部分试样的全应力－应变曲 线，对比分析不同高径比两组试样力学性质，如图 ６ 所示。 由图 ６ａ 可知，对照组试样具有明显的尺寸效 应，ＲＵ与 εＸ均随着高径比增大而减小；试样达到峰 值强度后立即失去承载能力，试样不表现残余强度 特征。 由图 ６ｂ 可知，改性后的试样，也具有明显的 尺寸效应，ＲＸ和 εＸ均随着高径比增大而减小，且由 于试验组试样中的纤维能够阻止高水材料原有微裂 隙的扩展，使试样得以保持较好的完整性和连续性， 从而表现出较高的残余强度，且高径比越小残余强 度越高。
图 ６ 不同高径比试样应力－应变曲线
Ｆｉｇ．６ Ｓｔｒｅｓｓ－ｓｔｒａｉｎ ｃｕｒｖｅｓ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｋｉｎｄｓ ｏｆ ｈｉｇｈ ａｓｐｅｃｔ ｒａｔｉｏ ｓｐｅｃｉｍｅｎｓ
２．４．２ 破坏形貌特征
由支柱试样的全应力－应变曲线分析可知，试 验组表现出较对照组更好的塑性特征，峰值应变增 大的同时，有良好的残余强度，因此从其破坏形态进 一步分析改性后高水材料充填支柱力学性质变化的 原因。 不同高径比的试样破坏形态如图 ７ 所示。
图 ７ 高水材料充填支柱单轴压缩破坏形态
Ｆｉｇ．７ Ｆａｉｌｕｒｅ ｐａｔｔｅｒｎｓ ｏｆ ｈｉｇｈ ｗａｔｅｒ ｍａｔｅｒｉａｌ ｐｉｌｌａｒｓ ｕｎｄｅｒ ｕｎｉａｘｉａｌ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ
图 ７ａ 为对照组试样，以“Ｘ”—劈裂型剪切组合 为主 要 破 坏 特 征， 端 部 先 发 生 “ Ｘ” 形 剪 切 破 坏［１７－２０］ ，随着载荷进一步加载，裂隙沿滑裂面发育， 最后贯穿整个试样，使端部呈倒圆锥体状；中部块体 由于拉伸出现竖向裂隙，形成劈裂破坏，并且随着高 径比增大，劈裂特征越明显，裂隙更加发育。
图 ７ｄ－图 ７ｅ 为试验组试样，支柱试样没有出现 贯通性的裂隙，端部仍表现为“Ｘ” 形的剪切破坏。 根据分析可知，由于纤维的联结作用，改性后试样的 整体韧性增强，试样在受力过程中裂而不断，从而保 持了较高的峰后残余强度，这和应力－应变曲线所 反映的结果是一致的。 由上述分析可知，两组试样的破坏类型相同，不 受高径比和纤维的影响。 纤维的阻裂作用明显，改 性试样整体性和连续性增强，试样破坏后块体不会 立即彻底分离，改性后高水材料充填支柱的受压稳 定性与峰后承载能力显著提高。
３ ＳＥＭ 微观分析
高水材料的微细观结构能侧面反映改性后高水 材料充填支柱的力学性能发生变化的原因。 对 ２ 组 试块取样，用导电胶将其固定，同时通过镀金处理增强导电性。 制作完成后，采用 ＱｕａｎｔａＦＥＣ－２５０ 型场 进行扫描电镜（ＳＥＭ）观测，得出 ２ 组试块不同放大 倍数下的微观形貌特征。 图 ８ 为 ２ 组试样各放大 ５０ 倍和 １ ０００ 倍微观形貌。
图 ８ 对照试验试样材料微观形貌
Ｆｉｇ．８ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｉｃ ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ ｏｆ ｐｉｌｌａｒ ｓａｍｐｌｅｓ ｏｆ ｂｌａｎｋ ｈｉｇｈ ｗａｔｅｒ ｍａｔｅｒｉａｌ
由图 ８ 可知，高水材料内部会有细小的微观裂 隙和极少的气孔和缺陷，是由于搅拌过程中少数气 体进入导致。 针状的钙矾石在空间中呈放射状，晶 粒相互搭接形成网状结构形成了高水材材料主要的 强度骨架，晶体间充斥着大量的胶状物质。 改性后， 即掺入纤维后的高水材料微观裂隙减少，只有少量 气孔生成，钙矾石生成更加致密。 改性后高水材料 具有更稳定钙矾石骨架结构，纤维与钙矾石结构体 之间的黏聚力，能阻止原有裂隙发育，同时纤维在结 石体变形破坏所受牵连拉力，会延缓新裂隙的产生， 从而间接地提高了试样强度，使试验组试样具有更 高的强度和较大的应变，表现更好的承载性能。
４ 结 论
１）改性高水材料充填支柱试样与未改性试样 尺寸效应特征一致：随着高径比增大，支柱试样的峰 值强度单轴抗压强度、轴向应变峰值逐渐降低，弹性 模量逐渐增大。
２）改性高水材料充填支柱试样中的聚丙烯纤 维改善了高水材料中钙矾石骨架结构，使试样的承 载性能得到提高，单轴抗压强度提高 １０．７８％，轴向 应变峰值增大 ２８．６２％。 两组试样的破坏特征不受 高径比和改性纤维的影响，均呈现“Ｘ”—劈裂型剪 切组合特征。
３）改性后高水材料充填支柱的钙矾石骨架结 构更稳定。 由于纤维的阻裂效应，延缓了试样原有 裂隙及新生裂隙的发育，是间接促进材料强度及应 变增长的主要因素，使改性高水材料充填支柱具有 较高的受压稳定性和残余强度。
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乾坤矿装的便携式螺旋支柱介绍
【联 系 人】：苏女士
【联系电话】：18075188209
乾坤矿装的便携式螺旋支柱是一款矿井临时支护设备，是矿井适用的金属单体支柱。
便携式螺旋支柱由五部分组成：上承压板、上支柱、螺杆、下支柱、下承压板。
具有轻便、结构简单、价格实惠、可回收反复使用、可远距离拆除等特点。
上承压板：
尺寸：63型号的为175mm x 175mm;
48型号的为150mm x 150mm
上承压板主要用于增大支柱与顶板的接触面积，从而加大支柱承压重量。四个触角有利于加大支柱在支护时的抓取力度，防止滑动，确保支柱持久支护和稳固。
下承压板：
下承压板尺寸与上承压板尺寸相同：
63型号的为175mm x 175mm;
48型号的为150mm x 150mm
下承压板主要用于增大支柱与底板的接触面积，从而加大支柱承压重量。中心的回环有利于加大支柱下承压板与下支柱的契合，加大在支护时的抓取力度，防止滑动，确保支柱持久支护和稳固。
上支柱：
由无缝钢管制造而成，钢管壁厚4mm。支柱有63和48两种型号，63和48指的是钢管的直径，直径越大，支柱的承重能力越大；直径越小，支柱承压能力越小。
相对于下支柱，上支柱稍长。
下支柱：
由无缝钢管制造而成，钢管壁厚4mm。支柱有63和48两种型号，63和48指的是钢管的直径，直径越大，支柱的承重能力越大；直径越小，支柱承压能力越小。
相对于上支柱，下支柱稍短。
支柱常用的规格型号有：1.5米，1.8米，2.米，2.5米，3米，3.5米。
便携式螺旋支柱的含义：以1.5米为例，金属钢管直径有48和63两款，最高支撑高度为1.5米。该款支柱可支撑1-1.5米范围内的任意高度，其他以此类推。
钢管直径越大，支柱承重越大，可支撑高度越高；支柱高度越高，支柱承重越小。
螺杆：
支柱的螺杆由螺纹钢特制而成。
特制螺杆，尺寸为80厘米，安装在支柱上以后主要用来保证支护的升缩，一般升缩在50厘米之间。我们确认的型号为拉升后可支撑的高度，比喻63-3.5.就是这根支柱最高可支撑3.5米的高度，最低可支撑3米的高度，之间可以拧动螺杆拉升，可以支撑3-3.5米之间的任意高度。
在螺杆的中间有4个齿状设计，主要是方便员工使用时升缩方便。
乾坤矿装的这款便携式螺旋支柱，参数经过多次试验和客户使用数据验证的，正是因为这个原因，培新矿机的这款支柱不能超高度超承载能力使用，超高和超载使用将影响支柱的稳定性，甚至发生安全事故；也正因为这个原因，本着客户至以上，一切从客户的利益出发的原则，培新矿机不提供定制和特殊规格的制作。为此，很多客户不理解，指责我们不满足客户需求。
其实，这款支柱自从研发十年来，我们的客户遍布全国各地，得到了客户的一致好评，虽然我们拒绝过不少的客户，但十年来，我们从没有因为质量和使用问题接到客户投诉，是一款轻便、简单、实用、实惠的好产品。
便携式螺旋支柱适用范围：
1、所有采场风爆工、出渣工、支护工作业时；
2、顶板破碎、倒三角节理发育、岩石不稳固的掘进工程作业时；
3、巷道破碎进行永久支护前。
便携式螺旋支柱使用方法和要求：
1、作业人员经过通风 、洒水、处理完松石后方可进行螺旋支柱支护；对上盘不稳固的采场要用锚杆和螺旋支柱结合支护。
2、支护时首先要根据矿体倾角或岩石破碎情况选择好支柱使用地点，在支柱的上下端均垫加长度适宜的木板，沿进入作业面的方向向前逐根支护，调整支柱顶住顶底板，用套管将丝杠拧紧确认无误后，方可进行作业。对当场用两根撬棍也无法撬下、需动炮处理的松石，对顶板破碎及上下盘围岩滑帮比较明显的采场，对上部有采空区的地点，必须进行加密支护。
3、便携式螺旋支柱支护时必须根据作业面的采幅宽度和顶板压力来确定使用支柱的数量，每个矿房不少于15根螺旋支柱。2米以上采幅采用双排支柱支护，1.5米以下的采幅采用单排支护，但不论是单排还是双排支柱支护，顶部都必须加承压板、木板等护住顶板，以加大接触面积。
4、便携式螺旋支柱不能超高度超承载能力使用（具体要求见附表），超高和超载使用将影响支柱的稳定性，甚至发生安全事故。
5、作业过程中，作业人员要经常检查丝杠松紧和顶板变化情况，及时将支柱拧紧，确保作业安全。
6、风爆工装药结束后，要按顺序由前向后依次拆卸支柱并清点数量；拆卸支柱时要及时观察顶板变化情况，发现异常立即停止拆卸，迅速撤离。
7、出渣工和支护工作业完毕后，须对丝杠重新紧固确认无误方可离开作业现场。撤下来的支柱须将螺母调至最低点，将丝杠置于套管内进行防护。
便携式螺旋支柱使用规定
1、无论作业现场的岩石结构是否存在危险，出渣工、风爆工在进行采矿或掘进作业时必须使用、支护工在顺路支护时必须使用、使用时必须按照上述方法规范支护。
2、把螺旋支柱的使用作为作业现场安全确认的重要内容，带班长或跟班领导必须在确认卡上填写支柱使用情况。
3、螺旋支柱要作为工具进行管理，要及时涂油防锈。使用时必须轻拿轻放，不得随意乱扔。
4、支柱外表出现损伤（如开裂、压扁、明显弯曲等）不能继续使用。
【联 系 人】：苏女士
【联系电话】：18075188209
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