王䶮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：为研究改性高水充填支柱材料尺寸对承载性能的影响，在高水充填支柱材料试样中添加 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 SEM 对试验结 果进行进一步讨论。结果表明:改性后高水充填支柱材料尺寸效应特征不变，随高径比（H/D）增大，峰值强度 RC 及峰值应变 εC 逐渐降低，弹性模量 EC 逐渐增大；改性后试样的承载性能提高，RC 提高 10.78%，εC 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性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；破坏特征；微观分析
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 济可行的新型技术[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；孙位[5]，李东 华[6]等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；Barczak 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[7-8]，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 充填支柱材料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，本文通过不同高径比改性高水充填支 柱材料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；通过对比两组试样的破坏 过程和破坏后的形貌，分析其破坏特征，最后通过 SEM 对两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 两种无机粉体组份构成，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 高水充填支柱材料中添加长度为 10 mm，掺量为 2‰ 聚丙烯纤维的试样，称为改性组（X）；未添加聚丙 烯纤维的支柱试样，称为空白组（U）。
两组高水充填支柱材料试样的水灰比均为 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 见方的试模中，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φ50mm， 高径比为 1:1~5:1 钻取圆柱试样，两端平行度± 0.02mm，垂直度±0.25°满足规程[9]要求，每种尺 度重复 3 个试样，部分试样如图 1 所示。
图 1 部分试样示意图
Fig.1 part of the sample schematic
两组试样制备完成后，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 100 kN 的力传感器；垂直方向用 5 mm 位移 传感器测量试样的轴向变形，水平方向用两个 2.5 mm 位移传感器测量试样的横向变形。
2 试验结果分析
2.1 试验结果
表 1 为两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 为峰值轴向应变，‰；EC 为弹性模 量，GPa；μ 为泊松比。
表 1 单轴压缩试验结果
Table1 Uniaxial test results of filling pillars with different height-diameter ratios and high water content materials
从表 1 可知，随着试样 H/D 增大，支柱试样的 单轴抗压强度 RC 及轴向峰值应变 εC 逐渐降低，弹 性模量 EC 逐渐增大。由于试样的泊松比 μ 与高径 比的关系不明确，因此不用来表征高水材料支柱的 力学特性。
将上述实验结果整理，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(RC)，轴向应 变(εC)及弹性模量(EC)三方面分析改性高水材料支 柱的尺寸效应和承载性能。 2.2 强度特征 高水充填支柱材料空白组（U 组）及改性组（X 组）试样的单轴抗压强度 RC，随高径比（H/D）增 大的变化特征如图 2 所示。
图 2 不同高径比支柱试样抗压强度特征曲线
Fig.2 Compressive strength characteristic curves of pillar specimens with different height-diameter ratio
从图 2 可以看出，两组高水材料支柱试样单轴 抗压强度随着 H/D 增大逐渐降低，两者之间可以材 料对数函数来表征：
16.326 .1 103 )/ln( + −= DH RU （1）
式（1）为 RU 的对数拟合函数，表示 U 组的试 样强度；相关系数 R2 U=0.9992。
14.719 .0 977 )/ln( + −= DH RX （2）
式（2）为 RX 的对数拟合函数，表示 X 组的试 样强度；相关系数 R2 X=0.9885。
高水充填支柱材料试样的内部缺陷结构会随着 高水材料支柱试样 H/D 增大相对增多，从而导致支 柱的峰值强度降低。随着 H/D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，两组试样高径比-强度特征曲线呈现相 同的变化趋势。改性后高水充填支柱材料强度 RX 均大于 RU，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%。
两组试样的函数拟合度较高，均符合对数函数 特征。随着 H/D 增大，RC的降低趋势渐平缓，两组 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
高水充填支柱材料试样的变形特征也随着 H/D 增大呈现规律性的变化。试样的轴向峰值应变（εC） 随 H/D 增大变化特征曲线如图 3 所示。
图 3 不同高径比支柱试样轴向应变特征曲线
Fig.3 axial strain characteristic curves of pillars with different height-diameter ratio
从图 3 可以看出，高水材料支柱 εC随着高径比 增大逐渐降低， 两者之间采用对数函数来表征：
U 1.221ln( / ) 6.1118 H D = − + （3）
式（3）为 εU 对数拟合函数，表示 U 组的轴向 峰值应变；相关系数 R2 U=0.9569。
3127.7)/ln(044.1 + −= DH X （4）
式（4）为 εX 对数拟合函数，表示 X 组的轴向 峰值应变；相关系数 R2 X=0.9648。
高水材料支柱轴向峰值应变 εC随着高径比增 大而逐渐降低，改性后高水材料支柱应变特征呈现 相同的变化趋势。随着 H/D 增大，εU从 6.25‰降低 至 4.14‰，εX 从 7.26‰降低至 5.70‰。改性试样轴 向应变 εX均大于 εU，相同高径比 εX均高于 εU，约 28.62%。两组试样 H/D 大于 4:1 后，高径比-应变特 征曲线变缓较为明显。
由于峰值应力（RC）和轴向峰值应变（εC）均 随着 H/D 增大而减小，因此弹性模量（EC）也会呈 现规律性变化。（EC）的变化特征曲线如图 4 所示。
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，高水材料支柱 EC 随着高径比增大 逐渐降低，两者之间采用对数函数表征为：
4054 .0 45321 .2)/ln( + = DH EU （5）
式（5）是 EU的对数拟合函数，为 U 组试样的 弹性模量；相关系数 R2 U=0.9358。
2431.2)/ln(2186.0 + = DH E X （6）
式（6）是 EX的对数拟合函数，为 X 组试样的 弹性模量；相关系数 R2 X=0.8846。
X 组试样的 EX 与 U 组试样的 EU具有相同的尺 寸效应特征，随着 H/D 增大，EU 从 2.37 GPa 增大 至 3.19 GPa，EX 从 2.28 GPa 增大至 2.60 GPa，两组 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 EC 增长趋势变平缓。
综上可知，改性高水材料支柱具有尺寸效应， 峰值应力（RC）及轴向峰值应变（εC）均随着高径 比的增大而减小，弹性模量（EC）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 RC提高约 10.78 %，εC提高 约 28.62 %，具有更好的承载性能。
2.3 破坏特征
2.3.1 应力-应变特征曲线
试样单轴压缩全应力-应变曲线能够反应试样 整体从受压直至破坏过程中的力学特性[10-16]。选取 同一种高径比的两组试样，对比分析试样的破坏特 征。图 5 为 H/D 是 4:1 两组试样的全应力-应变曲线。
图 5 相同高径比试样应力-应变特征曲线
Fig.5 Stress-strain characteristic curve of the same height to diameter ratio sample
由图 5（a）可知，U 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 5（b）可知，改性 后高水材料支柱 X 组与 U 组试样在塑性变形阶段、峰后破坏阶段有较为明显的区别，X 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。 由于当高径比过小时，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 H/D 从 3:1~5:1 部分试样的全应力-应变曲 线，对比分析不同 H/D 两组试样力学性质，如图 6 所示。
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
由图 6（a）可知，U 组试样具有明显的尺寸效 应，RU与 εX均随着高径比增大而增大；U 组试样 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 6（b）可知，改性后的 X 组试样，也具有 明显的尺寸效应，RX 和 εX均随着高径比增大而增 大，且由于 X 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。
2.3.2 破坏形貌特征
由支柱试样的全应力-应变曲线分析可知，X 组 表现出较 U 组更好的塑性特征，峰值应变增大的同 时，有良好的残余强度特性，因此从其破坏形态进 一步分析改性后高水材料支柱力学性质变化的原因。 不同高径比的试样破坏后试样如图 7 所示。
图 7 高水材料支柱单轴压缩破坏形态
Fig.7 Failure patterns of high water material pillars under uniaxial compression
如图 7（a）为 U 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”型剪切破坏 [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，劈裂特征约明显，裂隙更加发育。
图 7（b）为 X 组试样，支柱试样没有出现贯通 性的裂隙，端部仍表现为“X”型的剪切破坏。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 反映的结果是相符的。
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。通过对 U 组和 X 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， 得出两组试块不同放大倍数下的微观形貌特征。图 8 为两组试样各放大 50 倍和 1000 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，晶体间充斥的大量的胶状物质。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 之间的黏结力，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，从而间接地促进了试样强度的增长，使 X 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）改性高水充填支柱材料试样 X 组未改性 U 组试样尺寸效应特征一致：随着 H/D 增大，支柱 试样的峰值强度 RC，峰值轴向应变 εC 逐渐降低， 弹性模量 EC逐渐增大。
（2）改性高水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，RC提高 10.78%，εC 增大 28.62%。两 组试样的破坏特征不受 H/D 和改性纤维的影响，均 呈现“X”—劈裂型剪切组合特征。
（3）改性后高水充填支柱材料的钙矾石骨架结 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。
参考文献
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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，乾坤矿装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，乾坤矿装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。
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