基于固體充填開(kāi)采的充填材料選擇設(shè)計(jì)方法

王云搏，張 強(qiáng)，孟國(guó)豪，張 昊，王高峰，鄭慶學(xué)，田秀國(guó)，尹寶杰，馬國(guó)平

(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 063006；4.開(kāi)灤能源化工股份有限公司，河北 唐山 063006；5.開(kāi)灤股份范各莊礦業(yè)分公司，河北 唐山 063006)

近年來(lái)隨著環(huán)保意識(shí)的不斷提高，固體充填采煤技術(shù)在我國(guó)礦區(qū)得到廣泛應(yīng)用，固體充填材料也在向多元化方向發(fā)展，已有多個(gè)礦區(qū)利用矸石、粉煤灰和露天礦渣等固體廢棄物做為充填材料，且山西、內(nèi)蒙古多個(gè)礦區(qū)預(yù)就地取材，利用高原黃土、風(fēng)積沙等自然資源做為充填材料[1-2]。作為固體充填采煤技術(shù)的重要組成部分，固體充填開(kāi)采材料的選擇設(shè)計(jì)是充填開(kāi)采工作面工藝標(biāo)準(zhǔn)制定的基礎(chǔ)，并為充填質(zhì)量的判斷、充填體與圍巖變形特征的分析以及覆巖變形情況的預(yù)測(cè)等提供重要依據(jù)[3-4]。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)充填材料的壓實(shí)特性和具體到實(shí)際充填工藝中的充實(shí)率和充采質(zhì)量比，進(jìn)行了較為深入的研究，取得了較為豐碩的成果。吳曉剛[5]針對(duì)單一固體材料的物理特性和力學(xué)特性進(jìn)行了研究分析；蘭立信[6]等結(jié)合相關(guān)典型礦井工程實(shí)際，設(shè)計(jì)了3組充填物料混合材料的力學(xué)特性研究；閆浩[7]等為提高充填材料的抗壓性能，從宏細(xì)觀角度對(duì)充填材料細(xì)觀參數(shù)與宏觀應(yīng)變量之間的關(guān)系進(jìn)行了研究；李猛[8]基于固體充填物料的壓實(shí)特性、承載壓縮時(shí)效性特性對(duì)充實(shí)率進(jìn)行了設(shè)計(jì)研究；張強(qiáng)[9]等提出了固體充填采煤充實(shí)率設(shè)計(jì)的理論依據(jù)，定性分析了影響充實(shí)率的主控因素。

然而各種充填材料的物理力學(xué)性能差別較大，充填材料相互混合后力學(xué)承載特性的不確定性等都將為礦井的充填工藝帶來(lái)嚴(yán)重的影響。因此開(kāi)展關(guān)于固體充填開(kāi)采充填材料選擇設(shè)計(jì)方法的相關(guān)研究，是固體充填采煤技術(shù)發(fā)展的迫切需要。

1 固體充填材料基本類(lèi)型

1.1 充填材料種類(lèi)

固體充填采煤技術(shù)采用的固體充填材料包括：矸石、粉煤灰、高原黃土和風(fēng)積沙等。

矸石是煤炭開(kāi)采、洗選加工過(guò)程中產(chǎn)生的廢棄巖石。矸石主要來(lái)源于井下掘進(jìn)工作面、井上/下洗煤廠及地面矸石山。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前我國(guó)矸石累計(jì)堆放量超過(guò)60億t，形成矸石山1 500～1 700座，占地約20萬(wàn)畝。粉煤灰是燃煤電廠以及煤矸石、煤泥資源綜合利用電廠鍋爐煙氣經(jīng)過(guò)除塵器收集后獲得的細(xì)小飛灰和爐渣。通常每消耗2 t煤就會(huì)產(chǎn)生1 t粉煤灰。我國(guó)粉煤灰產(chǎn)量多年高居世界第一。

高原黃土是在第四紀(jì)期間，以風(fēng)力搬運(yùn)形成的黃色粉土沉積物，在我國(guó)昆侖山、秦嶺、泰山、魯山連線以北的干旱、半干旱地區(qū)大量存在。風(fēng)積沙是巖石被風(fēng)化侵蝕，進(jìn)而搬運(yùn)積淀形成的沙層，多見(jiàn)于沙漠、戈壁，其粒徑主要分布于0.074～0.25 mm。各類(lèi)充填材料如圖1所示。

圖1 固體充填材料 Fig.1 Solid backfilling material

1.2 充填材料物理力學(xué)特性

充填材料的物理特性主要包括碎脹性、空隙率、細(xì)觀結(jié)構(gòu)、密度等，其力學(xué)特征主要為承載壓縮特性，主要包括瞬時(shí)壓實(shí)特性及蠕變壓實(shí)特性。

(1) 碎脹性指充填材料破碎后體積增大的性質(zhì)。因具有該性質(zhì)，材料進(jìn)入采空區(qū)初期時(shí)，受壓破碎導(dǎo)致體積膨脹，從而抑制上覆巖層不斷發(fā)育，改善充填效果。碎脹性常用碎脹系數(shù)衡量。

(2) 材料空隙率是指散體材料在堆積狀態(tài)下，顆粒之間空隙體積與松散體積的百分比。充填物料的孔隙率與充填效果息息相關(guān)。充填材料設(shè)計(jì)選擇時(shí)，應(yīng)選擇空隙率低、壓實(shí)特性好的材料。

(3) 散料在堆放時(shí)能夠保持自然穩(wěn)定狀態(tài)的最大角度(單邊對(duì)水平面的角度)，稱為“自然安息角”。隨著自然安息角的增加，充填物料堆將更加細(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，導(dǎo)致充填效果和充填效率下降。

(4) 充填材料的密度是充采質(zhì)量比與充實(shí)率的聯(lián)系橋梁，在一定采空區(qū)內(nèi)，充填材料的密度越大，其充采質(zhì)量比越大，頂板的下沉高度越小，從而充實(shí)率越大。

(5) 充填材料本身的基本力學(xué)參數(shù)對(duì)其瞬時(shí)壓實(shí)及蠕變壓實(shí)特性影響顯著[10]，可通過(guò)單軸壓縮、點(diǎn)載荷劈裂及變角剪切試驗(yàn)測(cè)試矸石試件的彈性模量、泊松比、抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度與黏聚力等基本力學(xué)參數(shù)，為研究充填材料的瞬時(shí)及蠕變壓實(shí)變形特性提供基礎(chǔ)試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2 充填材料控制巖層基本原理及性能需求分析

2.1 巖層移動(dòng)影響因素

固體充填開(kāi)采的巖層移動(dòng)特征主要受覆巖條件、充填工藝和充填材料性能的影響[11]。矸石充填材料被充填入采空區(qū)后，在上覆巖層作用下逐漸被壓實(shí)，形成“煤體-充填采煤液壓支架-充填體”協(xié)同控頂結(jié)構(gòu)，其中人工可干預(yù)控制的部分為充填采煤液壓支架和充填體。從控制頂板初期下沉量的角度分析，充填采煤液壓支架通過(guò)增大支撐力、增加夯實(shí)次數(shù)等，可有效地減少開(kāi)采時(shí)頂板的提前下沉量，其中增加夯實(shí)次數(shù)的核心是提高充填物料的容重，從而使其初期抗變形能力提高；從控制地表沉陷的最終下沉量分析，其影響因素與充填材料長(zhǎng)期蠕變的性質(zhì)密切相關(guān)。

2.2 充填開(kāi)采巖層控制基本原理

控制采動(dòng)影響是充填開(kāi)采巖層控制的核心[12]。區(qū)別于垮落法采用固體充填采煤法管理時(shí)，通過(guò)充填材料對(duì)采空區(qū)進(jìn)行回填，采空區(qū)上覆巖層的下沉量被限制，這是充填開(kāi)采控制巖層移動(dòng)的核心原因。充填材料充入采空區(qū)后，其上覆巖層在礦山壓力及自身重力的作用下，逐步下沉。充填體在上覆巖層緩慢下沉過(guò)程中被壓實(shí)，其壓縮變形逐步減少、支撐能力迅速提高。充填體與上覆巖層在時(shí)間和空間上的相互作用逐步達(dá)到平衡?；陉P(guān)鍵層理論的等價(jià)采高理論，可以將固體充填采煤視為“極薄煤層”開(kāi)采，則可用傳統(tǒng)礦壓理論與地表沉陷等方法分析固體充填采煤中的礦壓顯現(xiàn)和地表沉陷規(guī)律。充填物料承載壓縮變形如圖2所示。

圖2 充填材料承載壓縮變形特征 Fig.2 Schematic of the compression deformationcharacteristics of backfilling materials

2.3 充填材料性能要求分析

充填材料的性能與工程實(shí)際緊密相關(guān)。不同礦井的工程需求，對(duì)充填材料性能要求不同，下面以各個(gè)因素為主導(dǎo)，對(duì)充填材料的性能要求進(jìn)行分析。

(1) 地質(zhì)條件適應(yīng)性：從時(shí)間來(lái)看，上覆巖層結(jié)構(gòu)和頂板堅(jiān)硬程度的不同，對(duì)充填材料的時(shí)效性具有不同的要求。充填體的瞬時(shí)壓縮變形性能是影響頂板運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的關(guān)鍵因素[13]。頂板堅(jiān)硬情況下，充填材料的瞬時(shí)壓縮變形性能標(biāo)準(zhǔn)可以相應(yīng)地降低；根據(jù)“三下”規(guī)程[14]，其地表建筑物保護(hù)等級(jí)越高，充填材料蠕變壓縮變形性能需要相應(yīng)地調(diào)整。

(2) 控頂效果：從整體上看，對(duì)頂板的控制效果與充填材料的強(qiáng)度即其抗變形能力密切相關(guān)，而充填材料的強(qiáng)度是由充填材料的配比種類(lèi)及充實(shí)率決定的。為提高控頂效果，應(yīng)通過(guò)改善充填材料類(lèi)型和配比來(lái)提高充填材料的抗壓強(qiáng)度。

(3) 工作面布置方式：充填材料的自然安息角影響充填效率和充填效果，隨著自然安息角的增大，充填效益不斷增加，但充填效率和充填效果不斷下降[15]。工作面的布置方向需綜合考慮采煤與充填工藝的影響，同時(shí)需考慮夯實(shí)機(jī)構(gòu)夯實(shí)角與自然安息角的影響；針對(duì)充填開(kāi)采區(qū)域煤層傾角變化，應(yīng)改善工作面的布置方向，盡量布置仰采俯充工作面，有利于充填工藝的實(shí)施。

(4) 充填工藝：固體綜合機(jī)械化充填工藝中，需進(jìn)行多次落料、夯實(shí)等工序，而充填材料碎脹性、安息角、黏結(jié)性等與落料、夯實(shí)的實(shí)施效率息息相關(guān)[16]。合理優(yōu)化充填材料的物理力學(xué)特性，可有效減少循環(huán)夯實(shí)落料次數(shù)，提升充填效率。

3 充填材料選擇的設(shè)計(jì)流程

3.1 不同工程需求下充填開(kāi)采巖層控制要求

充填開(kāi)采在解決“三下”壓煤、防治沖擊礦壓、房式煤柱回收以及處理井下井上矸石等固體廢棄物等許多采礦工程問(wèn)題方面均有其特殊的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。巖層移動(dòng)的控制效果主要由充填材料的充實(shí)率決定，隨著充實(shí)率的增加，巖層的控制效果越好。充實(shí)率是指達(dá)到充分采動(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[17]。充實(shí)率φ的表達(dá)式為

式中，M為采高；Md為頂板最終下沉量。

充填材料的合理設(shè)計(jì)與設(shè)備、充填投入及現(xiàn)場(chǎng)管理水平密切相關(guān)，需結(jié)合覆巖條件及控制目標(biāo)對(duì)充實(shí)率的控制程度進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)。通過(guò)分析不同工程需求，總結(jié)得到5個(gè)典型工程背景下充實(shí)率的控制范圍。

(1) 建構(gòu)筑物下充填開(kāi)采

建構(gòu)筑物充填開(kāi)采其主要控制指標(biāo)在于建構(gòu)筑物的變形。基于“三下”規(guī)程[14]，進(jìn)行建構(gòu)筑物抗變形能力分析，確定其最大下沉值、最大傾斜變形、最大曲率變形、最大水平變形，同時(shí)考慮一定的安全系數(shù)進(jìn)行保護(hù)等級(jí)的劃分。固體密實(shí)充填采煤地表沉陷預(yù)計(jì)模型[18]，采用等價(jià)采高理論結(jié)合概率積分法來(lái)預(yù)計(jì)地表沉陷，通過(guò)該模型得出了固體充填材料壓實(shí)的最終高度與實(shí)際采高差值即最大等價(jià)采高M(jìn)emax的計(jì)算公式，如式(2)所示。 式中，r＝M/tanβ；M為采高；q為地表下沉系數(shù)，與采空區(qū)充實(shí)率、等價(jià)采高密切相關(guān)；b為水平移動(dòng)系數(shù)；tanβ為主要影響角正切；α為開(kāi)采煤層傾角；wm為最大下沉值；im為最大傾斜變形；km為最大曲率變形；εm為最大水平變形。

其中需要注意，式(2)中的下沉系數(shù)、主要影響角正切和拐點(diǎn)偏移距，需根據(jù)固體密實(shí)充填采煤地表沉陷預(yù)計(jì)模型對(duì)上述3個(gè)參數(shù)進(jìn)行修正，使其更加貼合充填法的工程實(shí)際。

得到最大等價(jià)采高后，考慮設(shè)計(jì)和實(shí)施時(shí)保證地表建構(gòu)筑物安全設(shè)防指標(biāo)，代入充實(shí)率計(jì)算式(1)，得到建構(gòu)筑物下充填下限充實(shí)率計(jì)算式(3)。

(2) 含水層下充填開(kāi)采

含水層充填開(kāi)采控制對(duì)象在于裂隙帶的發(fā)育高度即垮落帶和裂隙帶的發(fā)育高度，即通過(guò)充填開(kāi)采，使上覆巖層僅局部產(chǎn)生裂隙。

含水層下煤層開(kāi)采所留設(shè)的基巖厚度應(yīng)大于或等于保護(hù)層厚度加上導(dǎo)水裂隙帶高度，則允許最小基巖厚度為導(dǎo)水裂隙帶高度與保護(hù)層厚度之和。根據(jù)“三下”規(guī)程[14]中保護(hù)層厚度的相關(guān)規(guī)定，選取保護(hù)層為等價(jià)采高的3倍厚度。

式中，Hb為保護(hù)層厚度。

采高和充實(shí)率是影響含水層下開(kāi)采保護(hù)效果的關(guān)鍵因素。基于礦井地質(zhì)條件可通過(guò)FLAC數(shù)值模擬結(jié)合SPSS統(tǒng)計(jì)軟件回歸可得出采高和充實(shí)率與固體充填開(kāi)采覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度的關(guān)系[19]為

式中，Hd為導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度。

進(jìn)一步將式(1)，(4)，(5)聯(lián)立變換可得出充實(shí)率與采高、導(dǎo)水裂隙帶高度與保護(hù)層高度之間關(guān)系。

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際導(dǎo)水裂隙帶數(shù)據(jù)并設(shè)置一定安全系數(shù)可得出含水層下充填開(kāi)采最小充實(shí)率。

充實(shí)率控制在此范圍之上，則裂隙發(fā)育范圍小于最小導(dǎo)水裂隙帶高度，可安全進(jìn)行含水層下開(kāi)采。

(3) 堅(jiān)硬頂板下充填開(kāi)采

充填開(kāi)采可有效地防止因采空區(qū)頂板堅(jiān)硬導(dǎo)致的大面積懸頂、工作面超前應(yīng)力集中甚至采空區(qū)颶風(fēng)等一系列問(wèn)題。其核心在于充填材料在頂板斷裂前后起支撐效果，充實(shí)率越大越有利于控制堅(jiān)硬頂板能量積聚與斷裂時(shí)能量釋放[20]。堅(jiān)硬頂板下充填開(kāi)采的目的在于通過(guò)充填體控制頂板無(wú)斷裂時(shí)應(yīng)變能及重力勢(shì)能的釋放，減小其工作面能量的積聚。即充填體吸收能量大于臨界彈性沖擊能，即

(4) 房式充填開(kāi)采煤柱回收

充填材料替換原房式煤柱成為覆巖載荷承載主體，有效減少回收煤柱期間工作面周?chē)褐膽?yīng)力集中，分散煤柱上的應(yīng)力集中，減少覆巖下沉空間，防止二次采動(dòng)導(dǎo)致的煤柱失穩(wěn)[21]。房式充填開(kāi)采最小充實(shí)率 0()Qφ為煤柱不失穩(wěn)和基本頂不破斷時(shí)臨界充實(shí)率，即

(5) 僅處理矸石

若充填目標(biāo)僅為處理地面矸石山、井下掘進(jìn)矸石、工作面矸石等，則充填開(kāi)采以煤礦矸石處理需求反推充填量?？刂频年P(guān)鍵因素在于設(shè)計(jì)充填量大于等于矸石處理量，即

3.2 充填材料選擇的總體流程設(shè)計(jì)

固體充填采煤充填材料選擇設(shè)計(jì)流程，首先基于不同工程需求進(jìn)行評(píng)估，根據(jù)地質(zhì)條件結(jié)合規(guī)程要求[14]，推算確定其下限充實(shí)率。根據(jù)礦井自身資源情況，從擬采用的固體充填材料種類(lèi)中，進(jìn)行物理力學(xué)試驗(yàn)分析得到優(yōu)選的配比材料，代入公式，得到理論充實(shí)率。最后，將上述流程所得到的理論數(shù)據(jù)下限充實(shí)率和理論充實(shí)率進(jìn)行對(duì)照分析，進(jìn)而結(jié)合工程實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)反饋并調(diào)整理論數(shù)據(jù)，共同完成固體充填材料的確定。固體充填材料選擇的總體設(shè)計(jì)流程如圖3所示。

圖3 固體充填開(kāi)采充填材料選擇設(shè)計(jì)流程 Fig.3 Filling material selection and design process of solid backfilling mining

3.3 初選固體充填材料

固體充填材料的選擇應(yīng)基于礦井自身實(shí)際并結(jié)合礦井所在地理環(huán)境，選擇分布廣、成本低、運(yùn)輸便捷、儲(chǔ)量和產(chǎn)量大的固體充填材料。初選固體充填材料并進(jìn)行物理測(cè)試，獲得其碎脹性、密度、孔隙度、自然安息角等物理特性?？筛鶕?jù)不同固體充填材料的性能，選擇某種或幾種物料進(jìn)行混合配制，為固體充填物料的來(lái)源提供更加廣泛的范圍。針對(duì)不同的物理特性進(jìn)行初步分組，改變充填物料的配比，并對(duì)各組設(shè)置不同的粒徑級(jí)配組。

3.4 充填材料力學(xué)特征測(cè)試

根據(jù)《固體充填材料壓實(shí)特性測(cè)試方法》對(duì)充填材料進(jìn)行力學(xué)特性試驗(yàn)，并獲得充填材料的彈性模量及不同軸向應(yīng)力條件下的應(yīng)變曲線。以典型的單一充填材料為例，對(duì)其壓實(shí)特性進(jìn)行分析。

圖4 充填材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線 Fig.4 Stress and strain curves of backfill materials

如圖4所示，充填材料的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線趨勢(shì)均相似，大致呈3個(gè)階段：0～2 MPa的快速變形階段，2～10 MPa的緩慢變形階段，10～20 MPa的穩(wěn)定變形階段；在軸向應(yīng)力相同時(shí)，矸石抵抗變形能力最強(qiáng)，其次為粉煤灰，抵抗變形能力最弱的為黃土。

3.5 固體充填材料優(yōu)化選擇

對(duì)初選的固體充填物料配比，設(shè)計(jì)優(yōu)化充填物料的承載壓縮性能。根據(jù)力學(xué)測(cè)試得到的數(shù)據(jù)，在相應(yīng)的范圍內(nèi)修改充填物料配比、粒徑級(jí)配等參 數(shù)設(shè)置對(duì)照組，進(jìn)行承載壓縮特性試驗(yàn)，獲得應(yīng) 力-應(yīng)變曲線，選取其抗變形能力最強(qiáng)的組為最優(yōu)組。

以矸石和黃土的優(yōu)化配比為例，根據(jù)物理力學(xué)特性試驗(yàn)對(duì)充填材料進(jìn)行初選，矸石和黃土配比為1∶0.90，為進(jìn)一步確定矸石和黃土試樣的較佳配比，對(duì)試驗(yàn)方案進(jìn)行細(xì)化，加做矸石和黃土配比為1∶0.80，1∶0.85，1∶0.95的3組試驗(yàn)[6]。得到3組配比試樣的應(yīng)變-應(yīng)力曲線如圖5所示。

圖5 不同配比試樣應(yīng)變-應(yīng)力曲線 Fig.5 Strain-stress curves of samples with different proportions

由圖5可知，當(dāng)矸石和黃土配比為1∶0.95時(shí)，試樣應(yīng)變最小，最不易發(fā)生變形，為壓實(shí)特性較佳的配比。該配比下，壓應(yīng)力從0～2 MPa過(guò)程中，試樣應(yīng)變?yōu)?.128，占總應(yīng)變的47.95%；壓應(yīng)力從2～25 MPa過(guò)程中，試樣應(yīng)變?yōu)?.139，占總應(yīng)變的52.05%。

3.6 理論充實(shí)率的確定

理論充實(shí)率主要受充填物料本身的力學(xué)性質(zhì)影響，決定其在壓縮過(guò)程中的變形量。根據(jù)試驗(yàn)所獲得的數(shù)據(jù)，理論充實(shí)率的確定方法如下。

充分采動(dòng)后所形成的密實(shí)充填體變形量主要由充填材料的彈性模量、煤層埋深以及上覆巖層的平均容重決定，可通過(guò)式(11)獲得。

式中，γ為覆巖平均容重；H為煤層埋深；E為充填材料的彈性模量。

綜上，理論充實(shí)率可用公式表示為

式中，Mt為頂板提前下沉量。

從而得到基于固體充填材料力學(xué)特性的充實(shí)率設(shè)計(jì)原理在于所采用的固體充填材料具有足夠的抗變形能力，保證其在受到上覆巖層的持續(xù)作用下發(fā)生盡可能小的變形，即

理論充實(shí)率的值應(yīng)大于下限充實(shí)率的值，即通過(guò)承載壓縮力學(xué)特性試驗(yàn)所得到的充填材料充實(shí)率應(yīng)同時(shí)滿足下限充實(shí)率和式(13)，若不滿足需重新進(jìn)行設(shè)計(jì)，修改配比、粒徑級(jí)配等參數(shù)進(jìn)行重復(fù)試驗(yàn)，直到符合要求。

3.7 充實(shí)率控制措施

在實(shí)施固體充填采煤工藝中，首先根據(jù)地質(zhì)條件，加強(qiáng)頂板支護(hù)，減少充填前的頂板下沉量。其次在地質(zhì)條件及充填設(shè)備確定的情況下，采空區(qū)的密實(shí)充填體首先由充填工藝實(shí)施產(chǎn)生，而充填工藝的實(shí)施對(duì)充實(shí)率的控制具有顯著影響，采用充采質(zhì)量比來(lái)定量表達(dá)充填工藝實(shí)施的程度。

固體充填物料的充采質(zhì)量比與充實(shí)率的聯(lián)系橋梁為充填材料的密度[13]。在固體充填物料容納比一定的情況下，現(xiàn)場(chǎng)工藝盡可能保證較大的充采質(zhì)量比，使有限的空間盡量充填更多的固體充填材料，使充填體對(duì)頂板活動(dòng)的抑制能力變大，即

式中，ρ0為原煤的密度；ρ1為固體充填物料推壓夯實(shí)前的自然密度。

充采質(zhì)量比與充填效果直接相關(guān)，工程設(shè)計(jì)前可通過(guò)充采質(zhì)量比判別充填物料是否能達(dá)到工程要求，實(shí)施階段通過(guò)監(jiān)測(cè)該數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)調(diào)整充填物料的量。合理的設(shè)計(jì)和控制充采質(zhì)量比有利于從工程設(shè)計(jì)到工程實(shí)施最后到充填工藝的管理上全流程保障充填效果。

3.8 監(jiān)測(cè)反饋措施

固體充填采煤的監(jiān)測(cè)反饋主要從兩個(gè)方面進(jìn)行。首先，控制指標(biāo)的監(jiān)測(cè)，① 建構(gòu)筑物下充填開(kāi)采，可通過(guò)頂板動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)儀布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)對(duì)充填采煤工作面的頂板下沉量進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)；② 含水層下充填開(kāi)采，可通過(guò)鉆孔沖洗液漏失監(jiān)測(cè)法監(jiān)測(cè)導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度；③ 堅(jiān)硬頂板下充填開(kāi)采，可通過(guò)鉆孔煤粉量監(jiān)測(cè)和微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)煤巖體能量變化；④ 房式充填開(kāi)采，主要監(jiān)測(cè)煤柱區(qū)域應(yīng)力及形變值；⑤ 處理矸石則主要監(jiān)控充采質(zhì)量比。其次，布置液壓支架壓力檢測(cè)儀對(duì)工作面頂板壓力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)應(yīng)力數(shù)據(jù)與監(jiān)測(cè)位移數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，提升監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度。

由于充采目的不同，監(jiān)測(cè)側(cè)重點(diǎn)不同，筆者針對(duì)5種固體充填采煤應(yīng)用情景，闡述其主要監(jiān)測(cè)反饋措施。具體實(shí)施時(shí)可采用多措施組合，相互驗(yàn)證。合理的監(jiān)測(cè)反饋措施，有利于精準(zhǔn)及時(shí)地調(diào)整充實(shí)率或充填工藝，確保控制指標(biāo)值在變形范圍內(nèi)；也有利于防止過(guò)度充填導(dǎo)致材料浪費(fèi)和充填成本增加。

4 建構(gòu)筑物下充填開(kāi)采充填材料選擇工程實(shí)踐

4.1 工程概況

唐山某礦F5001等4個(gè)工作面對(duì)應(yīng)地表區(qū)域位于唐山市內(nèi)，建筑物密集，有各類(lèi)公司、工廠、商業(yè)批發(fā)和零售網(wǎng)點(diǎn)及大片密集的居民住宅區(qū)等建筑物，而且據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，地面企事業(yè)單位達(dá)800多家，建筑面積約180萬(wàn)m2，居住人口約9萬(wàn)人。地表典型建筑物如圖6所示。

4.2 材料優(yōu)化選擇

(1) 建構(gòu)筑物變形能力評(píng)估：按照“三下”規(guī)程第23條對(duì)磚混結(jié)構(gòu)建筑物損壞等級(jí)規(guī)定，地面建筑不超過(guò)I級(jí)破壞，考慮到下沉值過(guò)大容易導(dǎo)致城市內(nèi)排水不暢，設(shè)定下沉限值為500 mm。

圖6 地表典型建筑物 Fig.6 Typical surface buildings

(2) 下限充實(shí)率確定：根據(jù)固體充填等價(jià)采高的概率積分法預(yù)測(cè)模型得出下沉系數(shù)：0.74；水平移動(dòng)系數(shù)：0.37；主要影響角正切：1.8；拐點(diǎn)偏移距：0。代入式(2)和(3)，考慮保證地表建構(gòu)筑物安全設(shè)防指標(biāo)，確定設(shè)計(jì)的下限充實(shí)率為80%。

(3) 固體充填材料初選：該礦四周無(wú)風(fēng)積沙黃土資源，但洗選廠及地表矸石山矸石眾多，且運(yùn)輸方便，矸石可作為固體充填的初選材料。

(4) 充填材料物理力學(xué)特征測(cè)試：該礦矸石主要由井下洗選矸石與地面投料井矸石組成，對(duì)礦井矸石進(jìn)行物理特征測(cè)試，得各粒徑矸石試樣密度碎脹系數(shù)，見(jiàn)表1。

對(duì)不同粒徑矸石按照測(cè)試流程進(jìn)行壓實(shí)力學(xué)試驗(yàn)，得到的應(yīng)變-應(yīng)力曲線如圖7所示，可知，粒徑級(jí)配對(duì)破碎矸石的壓實(shí)應(yīng)變影響顯著，粒徑越大，相同應(yīng)力情況下的應(yīng)變?cè)酱?，同時(shí)，2.5～50 mm粒徑的矸石處于各單一級(jí)配試樣之間，且僅大于2.5～16 mm粒徑的應(yīng)變，表明細(xì)顆粒試樣壓實(shí)變形最小，且細(xì)顆粒的加入有利于提高抗壓實(shí)變形的能力。

表1 充填材料物理力學(xué)數(shù)據(jù)及充填參數(shù) Table 1 Physical and mechanical data of filling materials and calculation table of filling parameters

圖7 矸石壓實(shí)變形應(yīng)變-應(yīng)力曲線 Fig.7 Compacted deformation strain-stress curves of gangue

(5) 理論充實(shí)率計(jì)算：F5001工作面位于12水平，鐵三區(qū)8煤層，埋深730～750 m，煤層平均厚度為4.78 m，煤層傾角平均12°，覆巖應(yīng)力約為18 MPa，將工作面參數(shù)代入式(13)，(14)，計(jì)算得到理論充實(shí)率和充采質(zhì)量比，見(jiàn)表1。

(6) 固體充填材料優(yōu)化選擇：通過(guò)力學(xué)特征測(cè)試數(shù)據(jù)，比較理論充實(shí)率與下限充實(shí)率，粒徑范圍2.5～50 mm與2.5～16 mm滿足要求，但由于礦井矸石主要由井下洗選矸石與地面投料井矸石組成，粒徑差異較大，因此選擇粒徑范圍較寬的2.5～50 mm矸石為充填材料。

4.3 充填效果實(shí)測(cè)

實(shí)施充填采煤過(guò)程中，采用地面投料井與井下矸石分選系統(tǒng)分選出的矸石混合充填。實(shí)測(cè)充實(shí)率82%，充采質(zhì)量比1.37，滿足工藝設(shè)計(jì)要求。F5001工作面設(shè)一條地表觀測(cè)線，測(cè)線沿建設(shè)南路和大學(xué)路沿線及石莊內(nèi)部布設(shè)，共22個(gè)測(cè)點(diǎn)(圖8)，觀測(cè)F5001工作面開(kāi)采對(duì)地表下沉的影響。

觀測(cè)總時(shí)長(zhǎng)17個(gè)月，工作面開(kāi)采前2個(gè)月開(kāi)始測(cè)量，直至開(kāi)采完畢后繼續(xù)觀測(cè)5個(gè)月，期間進(jìn)行15次測(cè)量，每次測(cè)量間隔1個(gè)月左右，根據(jù)觀測(cè)數(shù)據(jù)得測(cè)線觀測(cè)點(diǎn)的累積下沉曲線如圖9所示。

圖8 F5001充填開(kāi)采工作面地表變形觀測(cè)點(diǎn)布置 Fig.8 Layout of surface deformation observation points in F5001 working face

圖9 F5001工作面觀測(cè)線測(cè)點(diǎn)累計(jì)下沉曲線 Fig.9 F5001 working face observation line accumulated sinking value curves of measuring points

由圖9可知，工作面開(kāi)采初期，地表下沉量總體增加緩慢，下沉值小于20 mm；第5～7次測(cè)量期間，地表下沉量有明顯增加，但下沉總量仍處于較小范圍內(nèi)，最大下沉量為F11測(cè)點(diǎn)的45 mm；第11次測(cè)量時(shí)，該工作面全部開(kāi)采完畢，直至開(kāi)采完畢后5個(gè)月，即第15次測(cè)量，最大沉降量增加為F12測(cè)點(diǎn)的61 mm，3個(gè)月內(nèi)下沉量增幅較小，因此第13次測(cè)量時(shí)，F(xiàn)5001工作面已經(jīng)達(dá)到充分采動(dòng)影響。

5 結(jié) 論

(1) 闡述了固體充填采煤技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，對(duì)現(xiàn)有的固體充填材料類(lèi)型及其基本物理力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了總結(jié)和對(duì)比分析。

(2) 分析了固體充填采煤對(duì)上覆巖層移動(dòng)、地表變形控制的機(jī)理和變形特征，在此基礎(chǔ)上對(duì)充填物料的性能要求進(jìn)行了分析，并總結(jié)了充填材料配比優(yōu)化選擇方法。

(3) 根據(jù)不同充填開(kāi)采工程需求，確定其控制目標(biāo)及控制指標(biāo)，設(shè)計(jì)以充實(shí)率為指標(biāo)，建立固體充填材料選擇設(shè)計(jì)流程，結(jié)合礦井自身可用固體充填材料，確定其下限充實(shí)率和理論充實(shí)率，進(jìn)行工程監(jiān)測(cè)、反饋并動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，確定最終充填材料及實(shí)時(shí)充實(shí)率。

(4) 唐山某礦F5001工作面工程實(shí)踐表明，采用筆者所建立的固體充填采煤充填材料選擇設(shè)計(jì)流程，篩選出粒徑級(jí)配2.5～50 mm矸石作為充填材料，實(shí)測(cè)充實(shí)率為82%，充采質(zhì)量比1.37，下沉極值為61 mm。符合“三下”規(guī)程要求，取得了良好的充填效果。研究結(jié)果可為礦井選擇充填材料提供設(shè)計(jì)參考。