煤礦矸石充填效果受夯實(shí)角影響研究

程立朝，郭翔宇，李新旺，屈正一，李文貴

(1.河北工程大學(xué)礦業(yè)與測(cè)繪工程學(xué)院，河北 邯鄲 056038；2.河北工程大學(xué)河北省高校煤炭資源開(kāi)發(fā)與建設(shè)應(yīng)用技術(shù)研發(fā)中心，河北 邯鄲 056038；3.河北工程大學(xué)邯鄲市煤基固廢規(guī)?；眉夹g(shù)創(chuàng)新中心，河北 邯鄲 056038)

在我國(guó)大力推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)的背景下，煤礦機(jī)械化矸石充填開(kāi)采技術(shù)作為一項(xiàng)綠色開(kāi)采技術(shù)被越來(lái)越多的煤礦使用[1]。充填開(kāi)采可以消化地面矸石和其他固體廢物、保護(hù)地下水[2]、減少地表下沉破壞、延長(zhǎng)礦井服務(wù)年限，同時(shí)還能控制上覆巖層下沉變形，減小工作面來(lái)壓，使煤炭回采更安全，沿空留巷更容易[3-4]。目前，機(jī)械化矸石固體充填工藝中的充填工序主要由工人對(duì)充填支架的操控實(shí)現(xiàn)，工人憑借經(jīng)驗(yàn)操縱支架尾部的夯實(shí)機(jī)構(gòu)起落和伸縮將矸石推進(jìn)采空區(qū)。人工操作具有一定的隨機(jī)性，會(huì)對(duì)矸石固體的空間分布和充實(shí)率造成影響，進(jìn)而影響最終的充填效果。因此，開(kāi)展充填工藝夯機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)控制的研究和討論，對(duì)提高充填效率、保證充填質(zhì)量具有重要意義。

黃志敏等[5]研究了震動(dòng)推壓對(duì)矸石充填體充填過(guò)程的力學(xué)響應(yīng)；李猛[6]研制了散體充填材料雙向加載試驗(yàn)系統(tǒng)，測(cè)試了矸石充填材料瞬時(shí)壓實(shí)特性和蠕變壓實(shí)特性；程立朝等[7]使用實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)和EDEM離散元軟件相結(jié)合的方法研究了不同粒徑級(jí)配煤矸石材料的壓實(shí)特性，獲得了壓實(shí)特性最佳的煤矸石粒徑級(jí)配；GONG等[8-9]測(cè)試了矸石顆粒和矸石混凝土試件的力學(xué)性質(zhì)，建立了FLAC-PFC耦合計(jì)算模型，分析研究了矸石充填過(guò)程對(duì)頂板的支撐效果的影響；ZHANG等[10]對(duì)矸石顆粒壓縮過(guò)程中的硬化特征進(jìn)行了分析；周躍進(jìn)等[11]討論了欠接頂量對(duì)充填體充實(shí)率和充填效果的影響；韓曉樂(lè)[12]使用數(shù)值模擬的方式分析了充填物料在夯實(shí)作用下的力學(xué)響應(yīng)；張強(qiáng)等[13-16]建立了充填體和充填液壓支架協(xié)同控頂力學(xué)模型，討論了夯實(shí)力，夯實(shí)離頂距，夯實(shí)空頂距，夯實(shí)角，落料間隙距對(duì)充填效果的影響，通過(guò)優(yōu)化充填支架的機(jī)械結(jié)構(gòu)和夯實(shí)工藝提高了充填效果。

盡管如此，對(duì)矸石充填的夯實(shí)過(guò)程中煤矸石的細(xì)觀力學(xué)響應(yīng)研究很少。本文基于EDEM離散元模擬軟件，使用BPM的方式模擬顆粒破碎[17]，以相同大小的剛性不破碎元顆粒作為基礎(chǔ)，用顆粒黏結(jié)的方式構(gòu)建顆粒簇。根據(jù)ZC1800/14/25型充填液壓支架構(gòu)建矸石充填工作面空間模型，以矸石充填工藝中的落料-夯實(shí)過(guò)程為對(duì)象，研究采高為2 m、空頂距為2倍截深的情況下夯實(shí)機(jī)構(gòu)的夯實(shí)角度對(duì)夯實(shí)效果的影響，獲得合理的夯實(shí)角度指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)。

1 建立矸石顆粒模型

矸石充填體主要由破碎的矸石顆粒和少量煤炭顆粒組成，是一種非連續(xù)介質(zhì)。其粒徑級(jí)配、顆粒形狀、材料強(qiáng)度、顆粒間的接觸形式?jīng)Q定了充填體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和抵抗壓縮的力學(xué)響應(yīng)，因此矸石顆粒模型的建立關(guān)系到實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性。 據(jù)測(cè)量，該礦矸石密度約為2 642 kg/m3，面心立方最密堆積空間利用率約為74%[18]，所以小球的密度參數(shù)取3 570 kg/m3。實(shí)驗(yàn)測(cè)得矸石與矸石的動(dòng)摩擦因數(shù)0.31，矸石與鋼板的動(dòng)摩擦因數(shù)0.28，最終得到元顆?；疚锢韰?shù)和基本接觸參數(shù)，結(jié)果見(jiàn)表1和表2。

表1 元顆粒基本物理參數(shù)Table 1 Basic physical parameters of meta-particles

表2 元顆?；窘佑|參數(shù)Table 2 Basic contact parameters of meta-particles

本文矸石取自邢臺(tái)礦，主要成分為砂巖、泥巖和少量黃鐵礦夾層，矸石實(shí)物大小和形狀如圖1所示。采用矸石顆粒的典型形狀在軟件中建立可破碎顆粒簇三維模型，每個(gè)顆粒簇包含12顆元顆粒，排列方式為面心最密堆積，分為2層，每層6顆，互為交錯(cuò)鑲嵌。顆粒形狀模型如圖2所示。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)采回的矸石Fig.1 Gangue recovered on site

圖2 三維顆粒簇模型Fig.2 3D particle cluster model

顆粒與顆粒之間由bonding鍵連接，該連接鍵可以為顆粒之間提供一定的連接力和彈性以保持顆粒之間的位置關(guān)系，并在連接力大于某個(gè)值時(shí)消失，模擬顆粒的破碎行為，較為密集的顆粒排列可以更真實(shí)的模擬顆粒的破碎，bonding鍵黏結(jié)參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 黏結(jié)鍵參數(shù)Table 3 Bonding bond parameters

2 矸石充填推壓夯實(shí)實(shí)驗(yàn)方案

2.1 夯實(shí)角的定義

本文選取ZC1800/14/25型充填液壓支架，工作阻力為3 600 kN，支架高度1 400～2 500 mm，支護(hù)強(qiáng)度0.6 MPa。將該支架固定到采高為2 m的工況下，支架主要通過(guò)控制三個(gè)液壓桿來(lái)控制矸石的下落夯實(shí)過(guò)程，分別是尾梁液壓桿、夯實(shí)液壓桿和調(diào)節(jié)液壓桿。尾梁液壓桿主要調(diào)節(jié)刮板運(yùn)輸機(jī)的位置，需要落矸時(shí)，將運(yùn)輸機(jī)向外推，使矸石盡量落進(jìn)采空區(qū)，需要推壓時(shí)又能將運(yùn)輸機(jī)向里拉為夯實(shí)機(jī)構(gòu)讓出位置。夯實(shí)液壓桿是夯實(shí)機(jī)構(gòu)的核心動(dòng)力部件，可以將夯實(shí)板順著夯實(shí)機(jī)構(gòu)抬起的方向向外推出，將矸石推進(jìn)采空區(qū)。調(diào)節(jié)液壓桿調(diào)節(jié)夯實(shí)機(jī)構(gòu)的抬起角度即為夯實(shí)角，夯實(shí)角對(duì)夯實(shí)效果起著非常重要的作用[10]。

圖3為不同條件下夯實(shí)機(jī)構(gòu)可調(diào)節(jié)的角度范圍。由圖3可知，在調(diào)節(jié)液壓桿的調(diào)節(jié)下夯實(shí)機(jī)構(gòu)的夯實(shí)角變化范圍為3°～34°；當(dāng)運(yùn)輸機(jī)被尾梁液壓桿推到最外側(cè)時(shí)，伸長(zhǎng)的夯實(shí)機(jī)構(gòu)夯實(shí)角變化范圍為3°～24°；當(dāng)運(yùn)輸機(jī)被尾梁液壓桿拉到最里側(cè)時(shí)，伸長(zhǎng)的夯實(shí)機(jī)構(gòu)夯實(shí)角變化范圍為3°～32°。本文實(shí)驗(yàn)夯實(shí)角未超過(guò)24°，因此在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中無(wú)需移動(dòng)運(yùn)輸機(jī)。

圖3 不同條件下夯實(shí)角的變化范圍Fig.3 Tamping angle of the ramming mechanismunder different conditions

2.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

圖4為矸石散體夯實(shí)過(guò)程模擬示意圖，由圖4可知，提前將已經(jīng)充填完畢的矸石堆積于左側(cè)，形成一個(gè)斜坡。使用CAD構(gòu)建充填支架三維模型，導(dǎo)入EDEM軟件中，并使矸石從落矸口處落下。同時(shí)設(shè)置旋轉(zhuǎn)夯實(shí)板到指定角度，對(duì)落下的矸石進(jìn)行夯實(shí)推壓，觀察夯實(shí)效果。選用3°、10°、17°、24°作為實(shí)驗(yàn)條件，夯實(shí)機(jī)構(gòu)推壓速度為0.3 m/s，推壓4 s，行程1.2 m，實(shí)驗(yàn)方案詳情見(jiàn)表4。

圖4 矸石散體夯實(shí)過(guò)程模擬示意圖Fig.4 Schematic diagram of simulation ofgangue bulk compaction process

表4 實(shí)驗(yàn)方案詳情Table 4 Details of the experimental scheme

3 矸石充填推壓夯實(shí)模擬結(jié)果分析

3.1 推壓夯實(shí)動(dòng)態(tài)演化分析

圖5為當(dāng)夯實(shí)角為10°時(shí)，矸石充填推壓夯實(shí)過(guò)程中的夯實(shí)板推力-時(shí)間圖以及關(guān)鍵時(shí)間點(diǎn)的力鏈截圖。由圖5可知，夯實(shí)板推力整體上隨時(shí)間增加而增加，夯實(shí)板推力-時(shí)間曲線可擬合為2次函數(shù)(式(1))。

y=77-8.4x+13.8x2

(1)

整個(gè)夯實(shí)過(guò)程按照變化趨勢(shì)可以被分為三個(gè)階段：壓力平緩區(qū)、壓力波動(dòng)區(qū)、壓力上升區(qū)。壓力在顆粒散體中并非均勻傳遞，而是沿著某些特定的顆粒傳遞的，將這些顆粒之間的力高亮顯示出來(lái)即為力鏈。未分布在力鏈上的顆粒被力鏈上的顆粒在一定程度上架空，而受到壓力較小。力鏈的形成說(shuō)明顆粒之間相互嵌合，對(duì)作用在力鏈兩端的壓力具有較強(qiáng)的抵抗作用，力鏈的消散說(shuō)明顆粒散體在壓力下進(jìn)行位移和重新排列。

本文選取了6個(gè)具有代表性的時(shí)間點(diǎn)分別記為A、B、C、D、E、F，不同時(shí)間點(diǎn)對(duì)應(yīng)的力鏈截圖，如圖5所示。由圖5可知，0～1.76 s屬于壓力平緩區(qū)，在這一階段除B點(diǎn)前后之外夯實(shí)板推壓力基本穩(wěn)定于0～150 N之間。A點(diǎn)所示推壓板附近力鏈較少，無(wú)左右貫通力鏈，所對(duì)應(yīng)的推壓板壓力也較小。B點(diǎn)力鏈左右貫通，并且有一條明顯的力鏈連接推壓板下端和底板，可以推斷顆粒與底板有較大的摩擦力一定程度上阻擋了夯實(shí)板的移動(dòng)，導(dǎo)致了夯實(shí)板壓力在B點(diǎn)的波峰。1.76～2.94 s屬于壓力波動(dòng)區(qū)，在這一階段壓力劇烈波動(dòng)，顆粒之間會(huì)短暫的形成嵌合結(jié)構(gòu)但隨即就會(huì)解體，C點(diǎn)和D點(diǎn)是壓力波動(dòng)區(qū)的一組波峰和波谷。C點(diǎn)在圖中夯實(shí)板附近力鏈散亂，顆粒較為松散，無(wú)明顯的橫向貫通力鏈，處于顆粒重排的過(guò)程中。D點(diǎn)力鏈密集，在水平方向貫通，夯實(shí)板附近尤為明顯，可以推斷顆?；ハ嗲逗蠈?dǎo)致壓實(shí)力較大。2.94～4.00 s屬于壓力上升區(qū)，在這一階段壓力震蕩上升，最終擬合曲線函數(shù)值達(dá)到260 N左右，在F點(diǎn)壓力達(dá)到最大值478 N，C點(diǎn)和D點(diǎn)是壓力波動(dòng)區(qū)的一組波峰和波谷。C點(diǎn)力鏈明顯較少，屬于顆粒大量位移重新排列期間，顆粒間結(jié)構(gòu)松散。D點(diǎn)力鏈密集粗壯，從夯實(shí)板出發(fā)，呈樹(shù)狀發(fā)散，顆粒之間嵌合緊密，夯實(shí)板壓力達(dá)到最高。

圖5 矸石散體夯實(shí)過(guò)程動(dòng)態(tài)演化示意圖Fig.5 Schematic diagram of the dynamic evolution of the gangue bulk compaction process

3.2 矸石和夯實(shí)板受力分析

圖6為夯實(shí)機(jī)構(gòu)推壓矸石時(shí)矸石顆粒力鏈?zhǔn)疽鈭D。由圖6可知，矸石堆中力鏈形式有明顯變化的是3°和10°兩組。夯實(shí)角為3°時(shí)，力鏈橫向分布，以夯實(shí)板為起點(diǎn)擴(kuò)張延伸至更深處的矸石，總體表現(xiàn)為力鏈分布偏下，集中于夯實(shí)板附近；夯實(shí)角為10°時(shí)，橫向力鏈主要分布在夯實(shí)板附近，沒(méi)有達(dá)到矸石堆深處，夯實(shí)后期力鏈整體靠上，并擴(kuò)張延伸至深處；夯實(shí)角為17°時(shí)，由夯實(shí)板延伸出的力鏈影響范圍很??；夯實(shí)角為24°時(shí)，矸石途徑夯實(shí)板全部滑落到夯實(shí)機(jī)構(gòu)下面，夯實(shí)板在推壓過(guò)程中未與矸石接觸，矸石受力無(wú)變化。

圖6 不同夯實(shí)角下推壓到第2 s和推壓到第4 s的矸石力鏈圖Fig.6 Gangue force chain diagram of pushing down to the 2nd second and pushing down tothe 4th second at different tamping angles

縱向力鏈來(lái)源于矸石自身的重力，橫向力鏈來(lái)源于夯實(shí)板的夯實(shí)作用，橫向力鏈的延伸范圍表示了夯實(shí)板作用力的傳播范圍。因此夯實(shí)機(jī)構(gòu)推壓角度較小時(shí)其作用力的影響范圍可以蔓延至矸石堆深處，角度越小擴(kuò)張?jiān)綇V，影響已有矸石的空間分布，而高角度的推壓只是將新落下的矸石推上斜坡。

圖7給出了不同夯實(shí)角下夯實(shí)板推力與推壓時(shí)間的關(guān)系。由圖7可知，夯實(shí)角為3°時(shí)，夯實(shí)板在2 s左右有一次壓力提升，在2.5 s之后壓力維持在2 000～3 000 N。夯實(shí)角10°時(shí)，壓力趨勢(shì)與3°時(shí)類似但整體略小。夯實(shí)角3°和10°時(shí)，夯實(shí)機(jī)構(gòu)在有一定程度上杵進(jìn)了已有矸石的矸石堆里，受到了較大的阻力。夯實(shí)角17°時(shí)，夯實(shí)板只推動(dòng)新落下矸石，受到壓力較小。

圖7 不同夯實(shí)角下夯實(shí)板推力與推壓時(shí)間關(guān)系Fig.7 Relationship between the thrust of the tamped plateand the pressing time at different tamping angles

圖8為不同夯實(shí)角下累積破碎顆粒數(shù)量與推壓時(shí)間的關(guān)系。 由圖8可知，在夯實(shí)角為3°和10°時(shí)，小部分顆粒發(fā)生了破碎，破碎數(shù)分別是37個(gè)和9個(gè)，破碎發(fā)生在2.5～3.0 s推壓中后期。絕大多數(shù)矸石顆粒在夯實(shí)機(jī)構(gòu)的夯實(shí)作用下只是發(fā)生了位移，2 m的采高產(chǎn)生的應(yīng)力以及矸石間的摩擦力不足以對(duì)夯實(shí)機(jī)構(gòu)產(chǎn)生足夠大的反作用力而壓碎矸石，矸石作為一種散體在夯實(shí)作用下呈現(xiàn)“流動(dòng)”狀態(tài)。

3.3 推壓過(guò)程及充填效果分析

矸石向左推動(dòng)的程度可以近似代表矸石夯實(shí)的程度，對(duì)夯實(shí)效果定量分析。圖9給出了不同夯實(shí)角下所有矸石的質(zhì)心位置與時(shí)間的關(guān)系(圖中y軸為模型中所有矸石的質(zhì)心位置即所有矸石與最左邊墻體的平均距離)。由圖9可知，夯實(shí)機(jī)構(gòu)抬起角度為3°時(shí)，推壓前期可達(dá)到較好的效果，不過(guò)在隨后的推壓過(guò)程中大量矸石從夯實(shí)板上方滑過(guò)，使得矸石整體質(zhì)心又大幅向右移動(dòng)；夯實(shí)角為17°時(shí)，夯實(shí)機(jī)構(gòu)在推壓前期矸石質(zhì)心分布大幅靠左，夯實(shí)板剛好能將大部分落下的矸石擋在左邊，夯實(shí)效果表現(xiàn)一般；夯實(shí)角為10°時(shí)，大部分矸石落在夯實(shí)板左側(cè)，能推起的矸石量比較大，夯實(shí)效果較好。

圖9 不同夯實(shí)角下矸石質(zhì)心位置與時(shí)間的關(guān)系Fig.9 Relationship between the position of the center ofmass of gangue and time under different tamping angles

圖10為不同夯實(shí)角下新落下矸石與已有矸石對(duì)比示意圖。由圖10可知，灰色部分為本次落矸之前已有的矸石，黑色部分為新落下的矸石，其中左側(cè)圖表示夯實(shí)機(jī)構(gòu)推壓夯實(shí)之前的落矸情況，右側(cè)圖表示夯實(shí)機(jī)構(gòu)推壓夯實(shí)過(guò)后的情況。

圖10 不同夯實(shí)角下推壓前與推壓夯實(shí)矸石穩(wěn)定后新落下矸石示意圖Fig.10 Schematic diagram of newly dropped gangue before pushing and after pushing andtamping the gangue at different tamping angles

夯實(shí)角為3°時(shí)，矸石下落呈一個(gè)自然的錐形，隨著夯實(shí)板的前進(jìn)更多的新矸石被推進(jìn)了已有矸石的底部，上方的舊矸石在夯實(shí)作用下向上移動(dòng)并向外溢出，夯實(shí)板附近壓力較大部分矸石發(fā)生破碎，最終大量新落矸石鉆進(jìn)了已有矸石的底部。隨著夯實(shí)機(jī)構(gòu)推壓角度的升高，更多的矸石落在了夯實(shí)板的外側(cè)。夯實(shí)角為10°時(shí)，夯實(shí)板推起大量矸石向斜坡移動(dòng)，但由于其角度偏小，其中大部分新落的矸石都從夯實(shí)板上方溢出；夯實(shí)角為17°時(shí)，夯實(shí)板也推起了較多的矸石，并將其推上斜坡，對(duì)已有矸石沒(méi)有造成明顯擾動(dòng)，但是大部分新落的矸石在落矸階段就從夯實(shí)板下方滑入夯實(shí)機(jī)構(gòu)下方，不利于夯實(shí)機(jī)構(gòu)的下一次推壓。最終得出，夯實(shí)角為3°和24°時(shí)，夯實(shí)效果較差；夯實(shí)角為10°和17°時(shí)，效果最好。

矸石欠接頂量隨夯實(shí)角的增大而增加，由于實(shí)際上矸石自然堆積角較小，在矸石堆積斜面下側(cè)接觸到支架底部時(shí)堆積斜面上側(cè)與支架還有一段距離，采高為2 m、空頂距為2倍截深情況下，該型號(hào)充填支架的夯實(shí)離頂距實(shí)際上對(duì)夯實(shí)效果影響較小。

由此可見(jiàn)，當(dāng)夯實(shí)機(jī)構(gòu)角度太小時(shí)，矸石從卸料口落下時(shí)一部分矸石會(huì)由夯實(shí)板上面落到夯實(shí)板里側(cè)，由于夯實(shí)機(jī)構(gòu)是鏤空結(jié)構(gòu)的，所以這些矸石不會(huì)停留在夯實(shí)機(jī)構(gòu)上，而是落到夯實(shí)機(jī)構(gòu)下的底板上。當(dāng)夯實(shí)機(jī)構(gòu)角度太高時(shí)，矸石又會(huì)從夯實(shí)板下面滾到夯實(shí)機(jī)構(gòu)下方。落在夯實(shí)機(jī)構(gòu)下面的矸石都會(huì)阻礙夯實(shí)機(jī)構(gòu)的下一次下放，因此需要盡量防止矸石落入夯實(shí)板里側(cè)，進(jìn)而夯實(shí)板起推的角度不能超過(guò)17°。

4 結(jié) 論

1) 夯實(shí)板推力隨時(shí)間增加而增大，且由于矸石顆粒不斷嵌合和重新排列而劇烈波動(dòng)，夯實(shí)過(guò)程按照變化趨勢(shì)可以被分為三個(gè)階段：壓力平緩區(qū)、壓力波動(dòng)區(qū)、壓力上升區(qū)。

2) 隨著夯實(shí)角的減小，夯實(shí)板的夯實(shí)作用會(huì)影響到更多的矸石，從而受到更大的阻力，部分矸石會(huì)受壓破碎，角度越小，破碎越多。

3) 夯實(shí)角小于10°時(shí)，夯實(shí)機(jī)構(gòu)會(huì)被落下的矸石埋住；夯實(shí)角為10°時(shí)，夯實(shí)機(jī)構(gòu)即推動(dòng)了新落下的矸石也對(duì)以堆積的矸石有適當(dāng)?shù)暮粚?shí)，充填效果最好；夯實(shí)角為17°時(shí)，夯實(shí)板對(duì)已有矸石的擾動(dòng)小，欠接頂量小；夯實(shí)角大于24°時(shí)，夯實(shí)機(jī)構(gòu)接觸不到落下的矸石。