固體充填開(kāi)采“三效”關(guān)系及其優(yōu)化控制方法

武中亞，張 強(qiáng)，張 昊，鄭慶學(xué)，劉宏軍，田秀國(guó)

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116; 2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 深部煤炭資源開(kāi)采教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116; 3.開(kāi)灤(集團(tuán))有限責(zé)任公司，河北 唐山 630006; 4.開(kāi)灤能源化工股份有限公司,河北 唐山 630006)

固體充填開(kāi)采技術(shù)發(fā)展至今，經(jīng)歷了拋?lái)烦涮?、綜合機(jī)械化固體密實(shí)充填、綜合機(jī)械化固體充填與垮落式協(xié)同開(kāi)采、采選充一體化及“采選充+X”等階段[1-3]。固體充填材料特性測(cè)試及優(yōu)化方法、采充工藝、充填開(kāi)采巖層控制理論、投料裝備及技術(shù)、充填設(shè)備選型配套等已經(jīng)發(fā)展較為成熟[4-6]。

在固體充填開(kāi)采中，通常用充實(shí)率理論設(shè)計(jì)值來(lái)給定巖層控制的要求并反饋?zhàn)罱K的巖層控制效果[7-8]，其表征著充填體的抗變形能力，頂?shù)装鍘r層的運(yùn)移過(guò)程與最終狀態(tài)均與之密切相關(guān)[9-10]。充實(shí)率受充填液壓支架、充填材料、充填工藝、煤巖體特性等因素影響[11-15]。高充實(shí)率對(duì)裝備投入、充填材料及充填工藝的要求較高，充填效率和采煤效益較低，而低充實(shí)率的相應(yīng)要求較低，但難以保證巖層控制效果，因此設(shè)計(jì)合理的充實(shí)率顯得十分重要。充實(shí)率受充填工藝的影響較為顯著，而不同充填工藝參數(shù)下的充填效率和充填效益存在差異，研究充填工藝與充填效果、效率和效益(簡(jiǎn)稱(chēng)“三效”)的定量關(guān)系是充填開(kāi)采理論設(shè)計(jì)及工程實(shí)施中難以規(guī)避的問(wèn)題。

固體密實(shí)充填開(kāi)采除了割煤工序以外，還需要進(jìn)行充填材料的運(yùn)輸、落料和夯實(shí)作業(yè)，導(dǎo)致固體充填開(kāi)采效率和效益明顯低于垮落法開(kāi)采。充填效率和效益一直是制約充填開(kāi)采的關(guān)鍵因素，實(shí)現(xiàn)矸石等固廢高效處理、提高充填效益和實(shí)現(xiàn)充填開(kāi)采參數(shù)的精準(zhǔn)設(shè)計(jì)是充填開(kāi)采的重要發(fā)展方向[16-17]，因此“三效”量化分析及優(yōu)化控制顯得十分重要。

在固體充填效果控制方面，學(xué)者們提出了充填材料的測(cè)試及優(yōu)化方法，改進(jìn)了充填液壓支架及夯實(shí)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)，提出了充實(shí)率、充填率、頂板提前下沉量、夯實(shí)離頂距等表征充填效果的指標(biāo)及其計(jì)算方法[7,18];在充填效率提升方面，學(xué)者們提出了全采局充、局采局充等新型充填開(kāi)采技術(shù)和通過(guò)充填開(kāi)采自動(dòng)化來(lái)提升充填效率的設(shè)想[19-20];但目前鮮有針對(duì)充填效益的相關(guān)研究。綜上可知，目前對(duì)于固體充填開(kāi)采“三效”的研究還不夠全面，未形成“三效”的定量表征方法和優(yōu)化控制方法。

筆者擬對(duì)充填開(kāi)采“三效”的定量表征和優(yōu)化控制方法進(jìn)行研究，可為充填工藝參數(shù)合理設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)，能夠保證充填效果并提高充填效率和效益，對(duì)充填開(kāi)采巖層精準(zhǔn)控制具有理論指導(dǎo)意義。

1 充填開(kāi)采“三效”關(guān)系構(gòu)建

1.1 “三效”表征原理

固體充填開(kāi)采按照充填的密實(shí)程度可分為密實(shí)充填和非密實(shí)充填。其中，非密實(shí)充填對(duì)巖層的控制效果要求較低，為了高效處理固體廢棄物，一般僅落料不夯實(shí)。而密實(shí)充填一般用于“三下”開(kāi)采，需要對(duì)卸落的充填材料進(jìn)行夯實(shí)以保證充填體密實(shí)度。因此，密實(shí)充填和非密實(shí)充填在充填效果、充填效率和充填效益的表征方法上存在巨大差異。

(1)非密實(shí)充填。以固體廢棄物處理為需求的非密實(shí)充填，其“三效”關(guān)系主要以充填量為紐帶進(jìn)行構(gòu)建。充填效果取決于充填量與采煤量的比值，即充采比;充填效率主要受到充填量和落料時(shí)間影響;充填效益主要與充填效率、采煤效率及噸煤利潤(rùn)相關(guān)。

(2)密實(shí)充填。固體密實(shí)充填的“三效”關(guān)系以散體充填材料夯實(shí)為致密充填體的過(guò)程為紐帶，與充填工藝及充填體致密狀態(tài)緊密相關(guān)。如圖1所示，在給定的開(kāi)采條件下，充填效果主要受充填工藝和充填材料特性的影響，充填效率主要與充填材料充入量及充填工藝用時(shí)相關(guān)，而充填效益可通過(guò)結(jié)合充采質(zhì)量比、采煤效率、噸煤利潤(rùn)及矸石處理節(jié)約費(fèi)等表征。

圖1 “三效”內(nèi)在聯(lián)系Fig.1 Internal relationship of BQEB

“三效”的內(nèi)涵具體如下:

(1)充填效果。充填效果具有多種表征方法，包括地表變形、基本頂破斷狀態(tài)和導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育范圍等[7,15,18]。本文采用充實(shí)率表示充填效果，即充分采動(dòng)后，采空區(qū)內(nèi)的充填物料在覆巖充分沉降后被壓實(shí)的最終高度與采高的比值。

(2)充填效率。與采煤效率表示煤炭的采出效率類(lèi)似，充填效率是指充填體的充入效率，筆者利用單位時(shí)間充入的充填材料質(zhì)量來(lái)表征。這種表征方式可以消除不同工作面采高、面長(zhǎng)、截深等開(kāi)采參數(shù)差異造成的影響，可以實(shí)現(xiàn)不同布置參數(shù)充填面和同一充填面不同開(kāi)采階段的充填效率對(duì)比。

(3)充填效益。充填效益表示充填工作面采煤、固體廢棄物處理及生態(tài)環(huán)境保護(hù)等綜合效益。筆者僅利用充填工作面采煤效益來(lái)表征充填效益進(jìn)行分析，即單位時(shí)間內(nèi)采出煤炭產(chǎn)生的效益。充填效益與充填效率之間的聯(lián)系在于，單位時(shí)間內(nèi)充入的充填材料質(zhì)量和采煤量之間存在一個(gè)比值，即充采質(zhì)量比。

“三效”之間的關(guān)系可通過(guò)以下方法求解:① 求解充填效果與充填工藝的函數(shù)關(guān)系;② 求解充填工藝參數(shù)與充填時(shí)間的關(guān)系;③ 計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)充入的充填材料質(zhì)量，即充填效率;④ 結(jié)合采充質(zhì)量比、充填效率和噸煤利潤(rùn)等求解充填效益。

1.2 “三效”表征方法

由于以固體廢棄物處理為需求的非密實(shí)充填一般對(duì)充填效果沒(méi)有要求，而主要側(cè)重充填效率和效益，后文中“三效”表征及定量分析均基于固體密實(shí)充填方法進(jìn)行展開(kāi)。

固體密實(shí)充填的充填工藝流程為:通過(guò)充填液壓支架后部懸掛的多孔底卸式刮板輸送機(jī)將充填物料卸落至采空區(qū)，然后利用充填液壓支架上的夯實(shí)機(jī)構(gòu)將卸落的充填材料夯實(shí)密實(shí)。每架充填液壓支架單個(gè)循環(huán)步距對(duì)應(yīng)的可充填空間是一定的，此空間內(nèi)充入的固體充填材料越多，則密實(shí)度越好，工作面的充實(shí)率也越大。

首先利用充填材料夯實(shí)前后的質(zhì)量守恒原理構(gòu)建恒等式，通過(guò)三維仿真或積分的方法求解充填工藝、充填體參數(shù)與夯實(shí)作用體積的關(guān)系，可求得充填材料夯實(shí)后容重的表達(dá)式。然后通過(guò)充填材料壓實(shí)試驗(yàn)并利用充填實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行修正，可以得出充填材料夯實(shí)后容重與充實(shí)率的關(guān)系，至此實(shí)現(xiàn)了充填效果的表征。最后利用“三效”之間的關(guān)系，可以得出充填效率和充填效益的表達(dá)式。

(1)充填效果。對(duì)于固體密實(shí)充填而言，充填效果(充實(shí)率)的求解流程主要分為2部分:首先求解夯實(shí)后容重，然后通過(guò)夯實(shí)后容重求解充實(shí)率。其中，求解夯實(shí)后容重的步驟為[21-23]:① 通過(guò)夯實(shí)前后質(zhì)量守恒定律構(gòu)建等式;② 確定夯實(shí)后容重影響因素及取值范圍;③ 求解單因素與夯實(shí)后容重的關(guān)系;④ 回歸分析得出多因素與夯實(shí)后容重的關(guān)系。

充填體夯實(shí)后容重的表達(dá)式為

ρ0VS(hd,β,n)=ρV=ρ(h-ht)dk

(1)

式中，ρ0為充填材料夯實(shí)前容重;ρ為充填材料夯實(shí)后容重;VS為單個(gè)支架充填區(qū)域夯實(shí)作用總體積;V為單個(gè)支架可充填空間體積;ht為充填區(qū)域頂板提前下沉量;β為充填材料自然安息角;hd為堆料高度;n為夯實(shí)次數(shù);h為采高;d為充填步距;k為支架寬度。

利用夯實(shí)后容重求解充實(shí)率的步驟：① 通過(guò)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試并結(jié)合實(shí)測(cè)經(jīng)驗(yàn)修正，得出充填體應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系，進(jìn)而推導(dǎo)出充填體容重與充填體彈性地基系數(shù)的關(guān)系式;② 通過(guò)充實(shí)率與充填體應(yīng)變的關(guān)系，得出充實(shí)率與充填體彈性地基系數(shù)的關(guān)系式;③ 聯(lián)合上述公式得出充實(shí)率與充填體夯實(shí)后容重的關(guān)系式。

充實(shí)率與夯實(shí)后容重的關(guān)系式為

φ=φ[kg0(ρ),σmax]

(2)

式中，φ為充實(shí)率;kg0為夯實(shí)后充填體的彈性地基系數(shù);σmax為充分采動(dòng)時(shí)充填體所受的最大垂直應(yīng)力，可通過(guò)充填體應(yīng)力監(jiān)測(cè)計(jì)或計(jì)算求得。

(2)充填效率。充填效率通過(guò)單位時(shí)間內(nèi)充入的充填體質(zhì)量表示，具體步驟:① 以夯實(shí)作用總體積和落料速度求落料時(shí)間;② 以單次夯實(shí)時(shí)間和夯實(shí)次數(shù)求夯實(shí)時(shí)間;③ 根據(jù)落料和夯實(shí)工藝協(xié)同系數(shù)和開(kāi)采參數(shù)影響系數(shù)，求單個(gè)支架一個(gè)步距的充填時(shí)間;④ 計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)單個(gè)支架一個(gè)步距內(nèi)的充填體質(zhì)量，得出充填效率：

(3)

式中，η為充填效率;T1為單個(gè)支架落料時(shí)間;T2為單個(gè)支架夯實(shí)時(shí)間;T3為單個(gè)支架寬度對(duì)應(yīng)的采煤機(jī)割煤時(shí)間;v為多孔底卸式輸送機(jī)鏈速;Δv為單位長(zhǎng)度多孔底卸式輸送機(jī)上充填材料體積;t1為單次夯實(shí)時(shí)間;c1為落料和夯實(shí)工藝協(xié)同系數(shù)，c1≤1;c2為開(kāi)采參數(shù)影響系數(shù)(如傾角、粒徑、頂板條件等)，c2≥1。

(3)充填效益。充填效益通過(guò)單位時(shí)間內(nèi)采出煤炭利潤(rùn)來(lái)表征，具體步驟:① 計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)單個(gè)支架對(duì)應(yīng)區(qū)域的出煤量，具體通過(guò)充填效率和充采質(zhì)量比得出;② 結(jié)合單位時(shí)間內(nèi)的出煤量與噸煤利潤(rùn)得出充填效益。

(4)

式中，s為充填效益;ηc為采煤效率;r為充采質(zhì)量比;p為噸煤利潤(rùn);ρc為煤的容重。

2 充填開(kāi)采“三效”影響因素

2.1 關(guān)鍵影響因素選取

影響“三效”的因素包括地質(zhì)條件、工作面布置、充填設(shè)備、充填工藝、充填材料等。其中，工程地質(zhì)條件、工作面布置、充填設(shè)備一旦確定以后均不再改變，而充填物料特性以及充填工藝的實(shí)施可人為控制。因此，本文主要分析充填工藝和充填材料參數(shù)對(duì)“三效”的影響。

研究的充填材料參數(shù)包括:自然安息角、充填材料夯實(shí)前容重;研究的充填工藝參數(shù)包括:夯實(shí)次數(shù)、單次夯實(shí)時(shí)間、單個(gè)支架落料時(shí)間、堆料高度。采用單因素變量法分析“三效”的變化規(guī)律，各參數(shù)取值為:采高h(yuǎn)為3.5 m，支架寬度k為1.5 m，充填材料夯實(shí)前容重ρ0為15 kN/m3，頂板提前下沉量ht為100 mm，充填步距d為0.5 m，充填體所受最大垂直應(yīng)力σmax為20 MPa，單個(gè)支架落料時(shí)間T1為2 min，單次夯實(shí)時(shí)間t1為0.5 min，單個(gè)支架寬度對(duì)應(yīng)的采煤機(jī)割煤時(shí)間T3為3 min，落料與夯實(shí)協(xié)同系數(shù)c1為0.5，開(kāi)采參數(shù)影響系數(shù)c2為1.2，噸煤利潤(rùn)p為500元，煤的容重ρc為14.8 kN/m3，夯實(shí)次數(shù)n為4次，充填材料自然安息角β為46°，堆料高度hd為2.4 m。

充填材料的容重與彈性地基系數(shù)關(guān)系及充填材料的應(yīng)力與彈性地基系數(shù)關(guān)系如圖2所示。

圖2 充填材料壓實(shí)特性Fig.2 Compression characteristic of backfilling material

基于以上開(kāi)采條件，得出了“三效”的具體公式。其中，充實(shí)率、充填效率和充填效益的公式分別為

(5)

(6)

(7)

2.2 充填工藝參數(shù)影響規(guī)律

2.2.1夯實(shí)次數(shù)

由圖3可知，以夯實(shí)次數(shù)4次為基準(zhǔn)，夯實(shí)次數(shù)為1時(shí)充填效果降低了5.5%，但充填效率和充填效益分別提高了34.0%和53.6%;夯實(shí)次數(shù)為7次時(shí)充填效果提高了12.4%，但充填效率和充填效益分別下降了16.4%和25.9%。

圖3 夯實(shí)次數(shù)與“三效”關(guān)系Fig.3 Relation between tamping times and BQEB

隨著夯實(shí)次數(shù)的提高充填效果不斷提高，但充填效率和充填效益均下降十分明顯。因此，在滿(mǎn)足充填效果的前提下，應(yīng)選擇較低的夯實(shí)次數(shù)，以提高充填效率和效益。

2.2.2單次夯實(shí)時(shí)間

由圖4可知，以單次夯實(shí)時(shí)間為0.5 min為基準(zhǔn)，單次夯實(shí)時(shí)間為0.2 min時(shí)充實(shí)率不變，充填效益和充填效率均上升了27.1%;單次夯實(shí)時(shí)間為1.2 min時(shí)的充實(shí)率不變，充填效益和充填效率均降低了33.3%。

圖4 單次夯實(shí)時(shí)間與“三效”關(guān)系Fig.4 Relation between single tamping time and BQEB

隨著單次夯實(shí)時(shí)間的提高，充實(shí)率不變，但充填效率和充填效益不斷減小。因此，可通過(guò)提高夯實(shí)機(jī)構(gòu)供液流量和壓力、減小夯實(shí)機(jī)構(gòu)伸縮級(jí)數(shù)等方法提高夯實(shí)速度，以提升充填效率和效益。

2.2.3單個(gè)支架落料時(shí)間

由圖5可知，以單個(gè)支架落料時(shí)間為2 min為基準(zhǔn)，單個(gè)支架落料時(shí)間為1 min時(shí)充實(shí)率不變，充填效益和充填效率均提高了50%;單個(gè)支架落料時(shí)間為3 min時(shí)充實(shí)率不變，充填效益和充填效率均降低了25%。

圖5 落料時(shí)間與“三效”關(guān)系Fig.5 Relation between dumping time and BQEB

隨著單個(gè)支架落料時(shí)間的提高，充實(shí)率不變，但充填效率和效益不斷減小。因此，可以通過(guò)提高多孔底卸式輸送機(jī)鏈速和優(yōu)化卸料孔布置等方式提高落料速度，從而實(shí)現(xiàn)充填效率和效益的提升。

2.2.4堆料高度

考慮到多孔底卸式輸送機(jī)懸掛和支架后頂梁厚度，堆料高度的取值范圍設(shè)定為2.0～2.8 m。

由圖6可知，以堆料高度2.4 m為基準(zhǔn)，堆料高度為2 m時(shí)充實(shí)率和充填效率分別下降了1.5%和24.9%，但充填效益上升了33.9%;堆料高度為2.8 m時(shí)的充實(shí)率和充填效率分別升高了12.5%和14.8%，但充填效益下降了20.2%。

圖6 堆料高度與“三效”關(guān)系Fig.6 Relation between stack height and BQEB

隨著堆料高度的增加，充實(shí)率和充填效率不斷提高，但充填效益快速下降。因此，應(yīng)選擇合理的堆料高度來(lái)保證充實(shí)率和充填效益。

2.3 充填材料參數(shù)影響規(guī)律

2.3.1自然安息角對(duì)“三效”的影響

考慮到常見(jiàn)充填材料的特性，選擇的自然安息角范圍為43°～50°。

由圖7可知，以自然安息角46°為基準(zhǔn)，自然安息角為43°時(shí)充實(shí)率和充填效率分別提高了16.2%和6.7%，但充填效益下降了11.4%;自然安息角為50°時(shí)的充實(shí)率和充填效率分別降低了5.5%和12.2%，但充填效益提高了20.7%。

隨著自然安息角增大，充實(shí)率和充填效率不斷下降，但充填效益不斷增加。這是因?yàn)樵诙蚜细叨纫欢ǖ那闆r下，隨著自然安息角增加，充填體料堆會(huì)更加細(xì)高，因此單次夯實(shí)作用體積和落料總體積均會(huì)不斷減小;但是夯實(shí)次數(shù)不變，因此單位時(shí)間內(nèi)夯實(shí)的充填材料減小，即充填效率和充實(shí)率會(huì)變差;但由于落料總量減小，落料時(shí)間變短，工作面循環(huán)時(shí)間變短，充填效益提高。

2.3.2充填材料夯實(shí)前容重

根據(jù)實(shí)際，充填材料夯實(shí)前容重范圍設(shè)定在13～17 kN/m3，對(duì)于同一種充填材料而言，通常夯實(shí)前容重越大，其充實(shí)率越好[24]。

由圖8可知，以充填材料夯實(shí)前容重15 kN/m3為基準(zhǔn)，充填材料夯實(shí)前容重為13 kN/m3時(shí)充實(shí)率和充填效率分別下降了5.6%和13.3%，但充填效益不變;充填材料夯實(shí)前容重為17 kN/m3時(shí)的充實(shí)率和充填效率分別升高了13.2%和13.3%，但充填效益不變。

隨著充填材料夯實(shí)前容重的提高，充實(shí)率和充填效率增加，但充填效益不變。這是因?yàn)楹粚?shí)前容重增加后，單位時(shí)間內(nèi)落料和夯實(shí)作用體積不變，但充入充填體的質(zhì)量增加，即充填效率和效果增加，而單個(gè)支架的充填時(shí)間不變，即充填效益不變。

3 充填開(kāi)采“三效”優(yōu)化控制方法

3.1 “三效”關(guān)系求解

通過(guò)上述分析可知，“三效”受不同充填采煤工藝參數(shù)影響時(shí)的變化規(guī)律不同，可分為4種類(lèi)型:

(1)類(lèi)型1:效果提高，效率-效益下降。

這種“三效”類(lèi)型出現(xiàn)在為提高充實(shí)率而增加夯實(shí)次數(shù)的情況下，該類(lèi)型“三效”關(guān)系曲線(xiàn)如圖9所示。

圖9 “三效”關(guān)系(類(lèi)型1)Fig.9 BQEB Relation (type A)

“三效”內(nèi)涵關(guān)系可解讀如下:

充實(shí)率由85%(夯實(shí)次數(shù)為4)提高至95.5%(夯實(shí)次數(shù)增加為7)時(shí)，充填效率和充填效益分別下降16.4%和25.9%;當(dāng)充實(shí)率降低至79.4%(夯實(shí)次數(shù)為1)時(shí)，充填效率和充填效益分別增加34.0%和53.6%。

(2)類(lèi)型2:效果不變，效率-效益提高。

這種“三效”類(lèi)型出現(xiàn)在通過(guò)優(yōu)化多孔底卸式輸送機(jī)落料性能和充填液壓支架夯實(shí)性能，或?qū)Τ涮畈擅涸O(shè)備進(jìn)行自動(dòng)化改造導(dǎo)致單個(gè)支架落料時(shí)間減小和單次夯實(shí)時(shí)間減小的情況下，該類(lèi)型“三效”關(guān)系曲線(xiàn)如圖10所示。

圖10 “三效”關(guān)系(類(lèi)型2)Fig.10 BQEB Relation (type B)

“三效”內(nèi)涵關(guān)系可解讀如下:

充實(shí)率不發(fā)生變化，充填效益隨著充填效率提高呈線(xiàn)性提高。

(3)類(lèi)型3:效果-效率提高，效益下降。

這種類(lèi)型出現(xiàn)在增加堆料高度和減小自然安息角的情況下。其中，增加最大堆料高度可通過(guò)減小多孔底卸式輸送機(jī)懸掛高度來(lái)實(shí)現(xiàn)，而減小自然安息角主要通過(guò)優(yōu)化充填體粒徑級(jí)配和濕度來(lái)實(shí)現(xiàn)，該類(lèi)型“三效”關(guān)系曲線(xiàn)如圖11所示。

圖11 “三效”關(guān)系(類(lèi)型3)Fig.11 BQEB Relation (type C)

“三效”內(nèi)涵關(guān)系可解讀如下:

如圖11(a)所示，充實(shí)率由78.3%(堆料高度為2.4 m)提高至90.8%(堆料高度增高至2.8 m)時(shí)，充填效率增加了14.8%，充填效益降低了20.2%;當(dāng)充實(shí)率降低至76.8%(堆料高度降低至2 m)時(shí)，充填效率降低了24.9%，充填效益增加了33.9%。

如圖11(b)所示，充實(shí)率由82.2%(自然安息角為46°)提高至95.5%(自然安息角減小至43°)時(shí)，充填效率增加6.7%，充填效益減小了11.4%;當(dāng)充實(shí)率降低至77.7%(自然安息角增大至50°)時(shí)，充填效率下降了12.2%，充填效益提高了20.7%。

(4)類(lèi)型4:效果-效率提高，效益不變。

這種類(lèi)型出現(xiàn)在通過(guò)優(yōu)化充填材料粒徑級(jí)配導(dǎo)致充填材料夯實(shí)前容重增加的條件下，該類(lèi)型“三效”關(guān)系曲線(xiàn)如圖12所示。

圖12 “三效”關(guān)系(類(lèi)型4)Fig.12 BQEB Relation (type D)

充實(shí)率由85%(夯實(shí)前容重為15 kN/m3)提高至96.2%(夯實(shí)前容重增加至17 kN/m3)時(shí)，充填效率增加了13.3%，充填效益不變;當(dāng)充實(shí)率降低至80.2%(夯實(shí)前容重減小至13 kN/m3)時(shí)，充填效率降低了13.3%，充填效益不變。

3.2 “三效”優(yōu)化控制方法

由前面分析可知，充填工藝參數(shù)和充填材料參數(shù)均會(huì)對(duì)“三效”產(chǎn)生不同的影響，生產(chǎn)過(guò)程中通常需要設(shè)定合理的充填工藝參數(shù)來(lái)保證“三效”關(guān)系最優(yōu)。固體密實(shí)充填“三效”優(yōu)化控制的內(nèi)涵為:通過(guò)設(shè)計(jì)合理的充填工藝參數(shù)來(lái)滿(mǎn)足礦井對(duì)充實(shí)率、充填效率和充填效益的要求，其基本原則是在滿(mǎn)足充實(shí)率的前提下，實(shí)現(xiàn)充填效益的最優(yōu)。

通過(guò)上述分析可知，在保證充實(shí)率不降低的前提下，提高充填效益的方法有:提高充填材料夯實(shí)前容重(優(yōu)化粒徑級(jí)配)，減小夯實(shí)時(shí)間和落料時(shí)間。

如圖13所示，固體密實(shí)充填工作面“三效”優(yōu)化控制設(shè)計(jì)流程為:① 根據(jù)開(kāi)采區(qū)域地質(zhì)條件和地表情況，分析充填開(kāi)采目的;② 根據(jù)巖層控制指標(biāo)求解滿(mǎn)足充填要求的臨界充實(shí)率;③ 試驗(yàn)測(cè)試優(yōu)選充填材料及其級(jí)配，得出充填體容重、應(yīng)變及彈性地基系數(shù)的關(guān)系，構(gòu)建臨界充實(shí)率與充填工藝參數(shù)的關(guān)系式;④ 基于臨界充實(shí)率求解充填效益最優(yōu)條件下的夯實(shí)次數(shù)及對(duì)應(yīng)的堆料高度等充填工藝參數(shù);⑤ 計(jì)算并監(jiān)測(cè)采充質(zhì)量比、頂板下沉等參數(shù)來(lái)反饋調(diào)節(jié)充填工藝;⑥ 對(duì)充填采煤設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)化改造和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，以減小夯實(shí)時(shí)間、落料時(shí)間及充填和采煤工藝干擾時(shí)間，提高充填效率和效益。

圖13 “三效”優(yōu)化控制方法Fig.13 BQEB optimal control method

4 唐山礦充填開(kāi)采“三效”分析

4.1 充填工作面概況

T3292工作面位于唐山礦鐵三區(qū)，開(kāi)采9號(hào)煤層，煤層傾角平均12°。工作面基本頂為砂巖，厚度5～15.5 m;直接頂為泥巖，厚度0～1.5 m;直接底為砂質(zhì)泥巖，厚度1 m;基本底為泥巖，厚度4.6 m。T3292工作面地表存在密集建筑物，需要保證地表建筑物在Ⅰ級(jí)采動(dòng)影響程度以?xún)?nèi)，工作面基本參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 T3292充填工作面概況Table 1 General situation of T3 292 backfilling face

4.2 “三效”分析及優(yōu)化

(1)開(kāi)采參數(shù)。

T3292工作面充填材料為粒徑小于50 mm的分選矸石，采高h(yuǎn)為3.5 m，支架寬度k為1.5 m，充填材料夯實(shí)前容重ρ0為15 kN/m3，頂板提前下沉量ht為100 mm，充填步距d為0.5 m，充填體所受最大垂直應(yīng)力σmax為20 MPa，單個(gè)支架落料時(shí)間T1為2 min，單次夯實(shí)時(shí)間t1為0.5 min，單個(gè)支架寬度對(duì)應(yīng)的采煤機(jī)割煤時(shí)間為3 min，落料與夯實(shí)協(xié)同系數(shù)c1為0.5，開(kāi)采參數(shù)影響系數(shù)c2為1.2，噸煤利潤(rùn)p為500元，煤的容重ρc為14.8 kN/m3，夯實(shí)次數(shù)n為5次，充填材料自然安息角β為45°，堆料高度hd為2.4 m。

(2)“三效”分析。

針對(duì)此工作面的具體開(kāi)采條件，計(jì)算得出滿(mǎn)足地表建筑物保護(hù)要求的臨界充實(shí)率為80%。在充填材料參數(shù)、充填設(shè)備參數(shù)和堆料高度(以巖層控制為目的的固體密實(shí)充填工作面堆料高度一般設(shè)計(jì)為最大堆料高度)已經(jīng)確定的情況下，“三效”的優(yōu)化途徑主要為改變夯實(shí)次數(shù)。不同夯實(shí)次數(shù)條件下T3292工作面的“三效”變化規(guī)律如圖14所示。

圖14 T3292工作面“三效”與夯實(shí)次數(shù)關(guān)系Fig.14 Tamping times and BQEB in T3 292 working face

由圖14可以看出，在夯實(shí)次數(shù)為3次時(shí)充實(shí)率為81.1%，已經(jīng)滿(mǎn)足了設(shè)計(jì)要求。工作面實(shí)際夯實(shí)次數(shù)為5次，與夯實(shí)次數(shù)為3次相比，充實(shí)率提高到了84%，充填效率和充填效益分別降低了13.8%和20.8%。

(3)“三效”優(yōu)化建議。

T3292工作面充填材料為50 mm以下的分選矸石，未精準(zhǔn)配比矸石粒徑，建議后續(xù)充填面優(yōu)化粒徑級(jí)配，以提高充填材料夯實(shí)前容重和抗壓縮特性。同時(shí)，由于T3292工作面因側(cè)重充實(shí)率，實(shí)際夯實(shí)次數(shù)較多，建議減小夯實(shí)次數(shù)至3次，實(shí)現(xiàn)充填效率和充填效益的提升。

5 結(jié) 論

(1)提出了“三效”的表征方法、求解流程和計(jì)算公式。利用充實(shí)率來(lái)表征充實(shí)率，利用單位時(shí)間內(nèi)充入的充填材料質(zhì)量來(lái)表征充填效率;利用單位時(shí)間內(nèi)采出的煤炭?jī)衾麧?rùn)表征充填效益。

(2)建立了典型“三效”關(guān)系曲線(xiàn)。分析了“三效”關(guān)鍵影響因素，研究了夯實(shí)次數(shù)、單次夯實(shí)時(shí)間、單個(gè)支架落料時(shí)間、堆料高度、自然安息角和充填材料夯實(shí)前容重對(duì)“三效”的影響規(guī)律，得到4種典型的“三效”關(guān)系曲線(xiàn)。

(3)提出了“三效”優(yōu)化控制方法。針對(duì)固體密實(shí)充填開(kāi)采提出了求解“三效”優(yōu)化方法的設(shè)計(jì)流程，其基本原則是在保證臨界充實(shí)率的前提下盡量提高充填效益。

(4)基于唐山礦T3292工作面采礦地質(zhì)條件和開(kāi)條參數(shù)，分析了“三效”指標(biāo)，提出了“三效”優(yōu)化控制的改進(jìn)建議。研究成果對(duì)于充填開(kāi)采巖層精準(zhǔn)控制具有理論指導(dǎo)意義。