固體充填材料比例特征及應(yīng)力特性研究

劉建功 王 英

(1.河北工程大學(xué)，河北省邯鄲市，056038；2.河北煤炭科學(xué)研究院，河北省邢臺(tái)市，054000；3.國(guó)家能源充填采煤技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北省邢臺(tái)市，054000)

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固體充填材料比例特征及應(yīng)力特性研究

劉建功1,3王 英2，3

(1.河北工程大學(xué)，河北省邯鄲市，056038；2.河北煤炭科學(xué)研究院，河北省邢臺(tái)市，054000；3.國(guó)家能源充填采煤技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北省邢臺(tái)市，054000)

在綜合機(jī)械化固體充填采煤技術(shù)中，以地面煤矸石、粉煤灰、黃土等固體廢棄物為主要充填材料，借助充填設(shè)備實(shí)現(xiàn)采空區(qū)充填與壓實(shí)是一種行之有效的充填方法。為了更好實(shí)現(xiàn)固體充填的充填質(zhì)量，保證充填密實(shí)，切實(shí)起到有效支撐地面的作用，本文探討了固體充填材料的比例特征，對(duì)充填體應(yīng)力特性進(jìn)行試驗(yàn)研究，確定了煤矸石與黃土最佳配合比例，分析了未摻及摻入膠結(jié)料后固體充填體的強(qiáng)度及密實(shí)充填率、充填體壓縮率變化情況，提出了對(duì)固體充填體進(jìn)行二次注漿方法，結(jié)果表明通過此方法完全可以實(shí)現(xiàn)充填膠結(jié)體的連續(xù)性，保證了充填體的密實(shí)充填率。

固體充填 配比 強(qiáng)度 密實(shí)充填率 膠結(jié)料 二次注漿

生態(tài)環(huán)境保護(hù)對(duì)煤炭開采提出了新的要求， 綠色開采和生態(tài)保護(hù)性開采付諸實(shí)踐，取得了大量開創(chuàng)性的成果。固體充填采煤作為生態(tài)保護(hù)性開采的一項(xiàng)重要技術(shù)，利用煤矸石、粉煤灰、黃土等廢棄或廉價(jià)固體材料置換“三下一上”煤炭資源，解決了呆滯煤炭回收、生態(tài)環(huán)境保護(hù)與礦區(qū)可持續(xù)發(fā)展的難題，在國(guó)內(nèi)許多礦區(qū)得到成功應(yīng)用。

固體充填材料可采用煤礦開采中的煤矸石和電廠的粉煤灰，沒有粉煤灰的煤礦也可以采用煤矸石配黃土。固體充填材料由不同粒徑級(jí)別的顆粒組成，在外界壓力作用下顆粒重新排列，間隙擠壓密實(shí)、體積收縮，表現(xiàn)出明顯的散體特征。各組分配比不同的固體材料充填至采空區(qū)后在上覆巖層壓力作用下出現(xiàn)不同程度的壓縮變形，充填率和強(qiáng)度隨之發(fā)生改變。充填材料變形穩(wěn)定后的體積與采出的煤炭體積之比即密實(shí)充填率，密實(shí)充填率對(duì)巖層移動(dòng)變形起著決定性的控制作用，對(duì)充填效果有直接的影響。

根據(jù)采礦和地質(zhì)條件，選擇最佳材料配比和密實(shí)充填率，有利于控制直接頂?shù)南鲁?，保護(hù)關(guān)鍵層和地表。本文以金家莊礦為工程背景，確定了煤矸石與黃土最佳配合比例，分析了加入膠結(jié)料后固體充填體的強(qiáng)度及密實(shí)充填率、充填體壓縮率變化情況，提出了對(duì)固體充填體進(jìn)行二次注漿方法，保證了充填體的密實(shí)充填率，有效地控制了頂板下沉，適應(yīng)特殊充填開采的需要。

1 固體充填材料性質(zhì)及配比試驗(yàn)研究

1.1 固體材料物理化學(xué)性質(zhì)

在綜合機(jī)械化固體充填采煤技術(shù)中，選擇充填材料及其強(qiáng)度時(shí)，不僅要考慮礦山的安全與穩(wěn)定，而且還要考慮充填成本和礦山經(jīng)濟(jì)效益，實(shí)現(xiàn)礦山在最優(yōu)成本下的安全、高效、綠色及生態(tài)開采。

(1)煤矸石。在采煤過程中，煤矸石是對(duì)環(huán)境帶來影響的主要排放物，是充填材料的首選。煤矸石用于充填時(shí)，破碎粒徑控制在50 mm以下，松散容重為1.37 kg/m3。

(2)粉煤灰。粉煤灰是從煤燃燒后的煙氣中收捕下來的細(xì)灰，是燃煤電廠排出的主要固體廢物。粉煤灰是我國(guó)當(dāng)前排量較大的工業(yè)廢渣之一，大量的粉煤灰不加處理會(huì)產(chǎn)生揚(yáng)塵，污染大氣，將其作為固體廢棄物進(jìn)行井下充填是一種理想的利用途徑。

(3)黃土。黃土是在第四紀(jì)干旱、半干旱的氣候環(huán)境下形成的一種特殊的陸相松散堆積物，其以粉土顆粒為主要組成成分,富含碳酸鈣。黃土的工程性質(zhì)與其成因、時(shí)代和埋藏深度有關(guān)。近半個(gè)世紀(jì)以來, 各國(guó)學(xué)者對(duì)黃土膠結(jié)作用和結(jié)構(gòu)性的研究從未間斷, 黃土的膠結(jié)作用既包括聚集體內(nèi)部的膠結(jié), 又包括聚集體間的膠結(jié), 聚集體成分、結(jié)構(gòu)是黃土工程特性形成的物質(zhì)基礎(chǔ)。黃土的這種膠結(jié)作用在固體充填采煤技術(shù)中極為有益。本試驗(yàn)中黃土的松散容重為1.14～1.30 kg/m3，煤矸石、黃土、粉煤灰的化學(xué)成分分析見表1。

表1 原材料化學(xué)成分分析

煤矸石可以單獨(dú)作為充填料直接充填，但是粘結(jié)性較差，會(huì)影響充填效果，如果加上適量的粉煤灰或黃土，相當(dāng)于增加了粘結(jié)劑，充填效果會(huì)更好。當(dāng)然，添加材料種類要把充填效果、當(dāng)?shù)刭Y源狀況和充填成本統(tǒng)一考慮，不同添加材料的配比是充填采煤技術(shù)的關(guān)鍵因素。

1.2 材料配比方案的確定

在邢臺(tái)煤礦，充填材料是煤矸石和粉煤灰，當(dāng)煤矸石與粉煤灰配比為1∶0.31時(shí)，二者體積的差值最小，表明在此配比條件下，壓實(shí)力從1.5 MPa變化至7.5 MPa時(shí)，壓實(shí)的變形量很小，此時(shí)的充填材料經(jīng)夯實(shí)以后，巖層有效變形空間非常小，可以較好地控制采場(chǎng)頂板，以達(dá)到限制巖層的移動(dòng)、控制地表變形的目的。

金家莊礦附近沒有電廠，沒有粉煤灰來源，但可采用礦區(qū)豐富的煤矸石和周邊富存的黃土作為充填材料，本文針對(duì)金家莊礦的矸石和黃土配比的性能進(jìn)行研究。

為了確定煤矸石、黃土配合比的最佳比例，將煤矸石、黃土按不同比例混合，加入適量水成型，利用CMT4304微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，試模尺寸為?100 mm×180 mm，加壓強(qiáng)度根據(jù)實(shí)際情況確定為1.2 MPa，成型后進(jìn)行養(yǎng)護(hù)和固結(jié)，然后對(duì)試塊進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測(cè)試。其加壓成型過程如圖1所示，受壓破壞荷載情況見表2和圖2，應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖3所示。

圖1 煤矸石、黃土加壓成型

表2 煤矸石、黃土不同摻加比例受壓破壞荷載

圖2 煤矸石、黃土不同配比最大破壞載荷

圖3 煤矸石、黃土不同配比應(yīng)力應(yīng)變曲線

1.3 特征區(qū)的劃分

(1)由圖2可知，當(dāng)煤矸石與黃土比例為3∶1時(shí)，試塊的承壓能力達(dá)到一定范圍內(nèi)的最大值，之后無論煤矸石、黃土比例繼續(xù)減小或增大，試塊的承壓能力均出現(xiàn)降低，這一配比范圍煤矸石的特性占主導(dǎo)因素，把這一區(qū)域稱之為煤矸石特征區(qū)；

(2)當(dāng)煤矸石與黃土比例減小至2.2∶1后，試塊的極限抗壓強(qiáng)度隨著配比的繼續(xù)減小而增加，這一配比范圍黃土粘結(jié)力占主導(dǎo)因素，把這一區(qū)域稱之為黃土特征區(qū)。

由于黃土是一種膠結(jié)性材料，加入適量水后可以產(chǎn)生很強(qiáng)的膠結(jié)力。以黃土作為膠結(jié)料，配合粗骨料形成的充填體，其密實(shí)程度、顆粒級(jí)配以及孔隙率對(duì)充填體的力學(xué)特性起著決定性的影響。在煤矸石、黃土固體充填技術(shù)中，煤矸石作為粗骨料，黃土作為細(xì)骨料并同時(shí)充當(dāng)膠結(jié)料的作用。由于二者的特性完全不同，因此隨著配合比例變化，受壓破壞載荷值產(chǎn)生了非連續(xù)性變化，并呈現(xiàn)“幾”字形規(guī)律。當(dāng)煤矸石超過一定比例時(shí)，盡管煤矸石具有更高的硬度，但缺少膠結(jié)料的粘結(jié)作用，充填體呈現(xiàn)離散狀態(tài)，易于破壞，承壓能力弱。當(dāng)黃土增多時(shí)，充填體粘結(jié)性增強(qiáng)，體現(xiàn)出良好的成型狀態(tài)，但如果粗、細(xì)骨料配比不當(dāng)，成型后密實(shí)程度差，同樣易于破壞。而在黃土特征區(qū)，隨著黃土比例逐漸增大，黃土膠結(jié)能力占主導(dǎo)因素，壓實(shí)后的充填體密實(shí)度高，抗變形能力增強(qiáng)，因此具有高的抵抗破壞能力。

煤矸石是煤礦開采過程中的廢棄物，充填材料應(yīng)多利用煤矸石，配比方案應(yīng)選擇在矸石特征區(qū)；為提高充填質(zhì)量，又應(yīng)選擇矸石特征區(qū)的抗壓應(yīng)力最高點(diǎn)，因此，選擇煤矸石、黃土配比為3∶1，即利用了煤矸石的骨料特征，又發(fā)揮了黃土的粘接作用，能取得較好的充填效果。

2 充填材料應(yīng)力特性強(qiáng)化

2.1 充填材料摻入膠結(jié)料后強(qiáng)度變化

固體充填開采技術(shù)充填物料密實(shí)充填對(duì)地表沉陷影響是不容忽視的一個(gè)重要因素。有效提高密實(shí)充填率是固體充填采煤技術(shù)的關(guān)鍵。將煤矸石與黃土混合加壓成型，分別摻入專門研究的3種類型高效膠結(jié)料(I型、II型和III型)后，測(cè)量其不同齡期抗壓強(qiáng)度以及密實(shí)充填率變化情況，結(jié)果見表3。

表3數(shù)據(jù)表明，加入不同類型膠結(jié)料后，充填材料強(qiáng)度出現(xiàn)明顯的增長(zhǎng)，1 d抗壓強(qiáng)度從0.144 MPa增長(zhǎng)到0.471～1.233 MPa，3 d抗壓強(qiáng)度從0.191 MPa增長(zhǎng)到0.793～1.200 MPa，7 d抗壓強(qiáng)度從0.195 MPa增長(zhǎng)到0.943～1.640 MPa，充填材料的密實(shí)充填率變化較小，維持在83%～85%。

充填體中加入膠結(jié)料后，其強(qiáng)度增長(zhǎng)來源主要是膠結(jié)料。膠結(jié)料遇水發(fā)生一系列物理化學(xué)反應(yīng)，其中礦物水化以后形成的晶體物質(zhì)相互交錯(cuò)，聚結(jié)在一起從而使整個(gè)物料凝結(jié)并硬化。膠結(jié)料水化初期形成許多晶體包裹在顆粒表面，連成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，隨著水化反應(yīng)進(jìn)行，顆粒表面的包裹層水化反應(yīng)加速，從飽和的溶液中析出新的、更穩(wěn)定的水化物晶體，這些晶體不斷長(zhǎng)大，依靠多種引力使彼此粘結(jié)在一起形成緊密的結(jié)構(gòu)，不斷充滿在結(jié)構(gòu)的空間中，因此充填體形成比較高的強(qiáng)度。

表3 加入膠結(jié)料后不同齡期抗壓強(qiáng)度

2.2 二次加壓后固體充填材料的特性

固體充填材料經(jīng)過一次加壓成型，其密實(shí)充填率可以達(dá)到83%～85%左右，為了驗(yàn)證其耐壓情況，試驗(yàn)采用加壓1.2 MPa后重復(fù)進(jìn)行二次加壓，觀察其耐壓變形情況。試驗(yàn)一次加壓1.2 MPa，二次加壓分別為1.2 MPa、1.5 MPa、1.8 MPa。試驗(yàn)結(jié)果見表4，受壓變形情況如圖4所示。

表4 固體充填材料二次加壓后壓縮率對(duì)比

根據(jù)以上試驗(yàn)說明，對(duì)材料一次加壓成型后，重復(fù)進(jìn)行二次加壓，其耐壓性能良好，壓縮率控制在2.14 %以下(在實(shí)驗(yàn)室理想狀態(tài)下，充填體完全受限，此情況與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用略有出入)，在充填開采要求不高的情況下，對(duì)固體材料進(jìn)行一次加壓成型完全可以滿足充填要求，充填開采要求較高的情況下，可以通過采用二次注漿，提高充填體密實(shí)充填率。

2.3 二次注漿后固體充填材料的特性

充填體對(duì)上覆巖層運(yùn)動(dòng)的抑制程度由充填體的致密性決定，為了進(jìn)一步提高充填體密實(shí)充填率，改變充填體特性，實(shí)現(xiàn)充填材料的連續(xù)性，采用對(duì)充填體進(jìn)行注漿試驗(yàn)。二次注漿試驗(yàn)過程及注漿后充填體形態(tài)如圖5所示。

圖4 固體充填材料二次加壓后受壓情況

圖5 二次注漿試驗(yàn)

二次注漿后充填體密實(shí)充填率變化情況見表5。

表5 二次注漿后充填體密實(shí)充填率變化情況

綜合5種方案比較，二次注漿均使得充填體的密實(shí)充填率有所提高，當(dāng)煤矸石與黃土配比為2∶1、2.5∶1、2.8∶1、3∶1和3.2∶1時(shí)，二次注漿后密實(shí)充填率分別提高到91.5%、92.9%、94.7%、97.1%、和94.5%，其中配比為3∶1時(shí)，密實(shí)充填率提高最明顯?？紤]到煤矸石、黃土粘結(jié)性、二次注漿滲透性、密實(shí)充填率以及注漿成本等綜合指標(biāo)，最終確定最佳方案為煤矸石與黃土比例為3∶1。

3 結(jié)論

(1)通過不同試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，混合固體充填材料根據(jù)材料的本身特性，按照配比形成不同特征區(qū)，非常直接地影響充填效果，如采用煤矸石、黃土材料時(shí)，試驗(yàn)研究得出“幾”字形特征曲線，可用來指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)充填配比的選擇。

(2)加入高效膠結(jié)料后，固體充填材料的強(qiáng)度大幅度增長(zhǎng)，并且隨著摻入量的提高，強(qiáng)度增長(zhǎng)更為迅速，在充填要求較高的情況下，可在充填時(shí)加入適量膠結(jié)料，提高其初期抗壓強(qiáng)度，利于頂板保護(hù)。

(3)充填材料通過加壓成型，保證其充填的均勻性及密實(shí)充填率，其壓縮率較小，承壓能力強(qiáng)，可有效支撐頂板，防止地表變形，避免塌陷。

(4)對(duì)固體充填體進(jìn)行二次注漿補(bǔ)償，可以實(shí)現(xiàn)充填材料的連續(xù)性，有效提高了充填體的充填率。

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(責(zé)任編輯 郭東芝)

Research on ratio characteristics and stress properties of solid filling materials

Liu Jiangong1,3, Wang Ying2,3

(1. Hebei University of Engineering, Handan, Hebei 056038, China;2.Hebei Coal Science Research Institute, Xingtai, Hebei 054000, China;3.National Energy Backfilling Mining Technology Key Laboratory, Xingtai, Hebei 054000, China)

With the help of backfilling equipment, taking gangue, coal ash, loess and other solid waste as filling materials to realize goaf filling and compaction was an effective filling method in fully mechanized solid backfilling mining technology. In order to achieve better solid filling quality and density and effectively support the ground, the authors discussed characteristics of the solid filling materials ratio and carried out the test research on stress properties of filling materials, determined the best ratio of gangue and loess, analyzed the strength, solid filling ratio and compression ratio variation of solid filling body with or without cementing materials, put forward secondary grouting method for solid filling body. The results showed that the method could realize continuous cementing filling and ensure dense filling ratio.

solid filling, ratio, strength, dense filling ratio, cementing material, secondary grouting

河北省重大技術(shù)創(chuàng)新資助項(xiàng)目(11276722Z)

劉建功，王英. 固體充填材料比例特征及應(yīng)力特性研究[J]. 中國(guó)煤炭，2017,43(5)：38-42. Liu Jiangong, Wang Ying. Research on ratio characteristics and stress properties of solid filling materials[J]. China Coal, 2017,43(5):38-42.

TD823

A

劉建功(1956-)，男，山東沾化人，博士，教授級(jí)高工，博士生導(dǎo)師，從事煤礦充填開采、保護(hù)水資源開采、自動(dòng)化控制、機(jī)械裝備和生態(tài)礦山建設(shè)等方面研究工作。