Xiongfei Xiao, Hao Meng, Ming Zhao, Jian Miao

General Prospecting Institute, China National Administration of Coal Geology, Beijing

Abstract In order to ensure the efficiency of backfill mining to suppress the surface subsidence, by taking Xingtai Coal Mine in Jizhong Energy Group as the project background, several factors which affected the deformation of the backfill were analyzed, an experimental study was carried out on the effect of the size of the filling gangue. The research shows that one of the main factors affecting surface subsidence is the amount of compression of the backfill. The size of the gangue particle has a certain correlation with the amount of compression of the backfill, and the surface subsidence can be controlled by optimizing the gangue particle to adjust the amount of compression of the backfill.

Keywords Surface Subsidence, Gangue Particle, the Amount of Compression of the Backfill, Backfill Mining

1. 引言

綜采高產(chǎn)高效充填工作面充填體的壓縮性能是礦井控制地表沉陷和預(yù)防地表移動(dòng)變形的一個(gè)重要性質(zhì)[1] [2] [3] [4] [5]。它不僅受到充填材料本身的影響，而且受到充填配料方式和工作面作業(yè)方式的影響。因此，井下綜采中的高產(chǎn)、高效矸石充填對(duì)地表沉陷的控制應(yīng)該從充填體壓縮性能上入手，減小壓縮率，加強(qiáng)對(duì)頂板下沉的控制。一般來(lái)說(shuō)，矸石綜采充填方法可以減少環(huán)境污染和最大潛能地發(fā)揮工作面綜采設(shè)備的能力，對(duì)提高工作面的產(chǎn)量和效率意義重大。但是充填后較大的矸石壓縮率將會(huì)導(dǎo)致工作面充填體對(duì)覆巖控制程度不夠，給工作面的頂板管理以及地表沉陷的控制帶來(lái)較大的挑戰(zhàn)，不利于工作面的穩(wěn)產(chǎn)，經(jīng)濟(jì)效益的提高和建下采煤、采動(dòng)的要求。因此，應(yīng)根據(jù)地質(zhì)、經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、礦壓、管理等因素綜合考慮，通過(guò)完善充填體顆粒大小、提高充填體強(qiáng)度等一系列措施減少充填體壓縮率。充填體壓縮率的變化影響著上覆巖層的移動(dòng)變化，充填體壓縮率越大，覆巖的移動(dòng)范圍就越大，對(duì)地表沉陷與移動(dòng)的控制效果越差[5]-[15]。

以冀中能源集團(tuán)金牛能源股份有限公司邢臺(tái)煤礦為工程背景，通過(guò)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)研究矸石粉煤灰混合充填料中矸石粒徑的大小對(duì)充填體壓縮率的影響，以便在將來(lái)對(duì)煤礦充填采煤地表沉陷控制進(jìn)行理論指導(dǎo)。

2. 工程概況

充填采煤即通過(guò)綜合機(jī)械化設(shè)備將充填材料置于采空區(qū)內(nèi)，抑制上覆巖層的移動(dòng)、變形，進(jìn)而有效地控制地表移動(dòng)變形[16]。充填采煤控制地表沉陷的因素有充填前頂?shù)装逡平?、充填體欠接頂量、充填體壓縮率、底板浮煤壓縮率等。研究表明，前3個(gè)因素是影響地表沉陷的主要因素。筆者主要通過(guò)研究充填體的壓縮率入手，強(qiáng)調(diào)充填體的壓縮率大小對(duì)地表的影響，加強(qiáng)對(duì)地表沉陷與移動(dòng)變形的控制。其中，充填體壓縮率對(duì)地表沉陷影響示意圖如圖1所示。

Figure 1. The sketch of the effect of filling body compression on the surface subsidence圖1. 充填體壓縮率對(duì)地表沉陷影響示意圖

3. 充填體壓縮影響性分析

結(jié)合邢臺(tái)煤礦工作面生產(chǎn)情況，在有利于頂板穩(wěn)定和控制地表下沉量的前提下合理提出影響充填體壓縮率的因素。充填采煤法類似于以巖性較軟的充填體和巖性較硬的煤層進(jìn)行替換。在頂板覆巖的壓力下充填體就會(huì)發(fā)生相對(duì)于頂?shù)撞康膲嚎s變形，對(duì)地表沉陷和變形造成影響[17]。其中，充填材料的含水量或泌水性、充填體顆粒大小以及充填體的強(qiáng)度會(huì)影響充填體壓縮率的變化。

3.1. 充填材料粒徑大小對(duì)充填體壓縮變形的影響

對(duì)于矸石充當(dāng)單一充填材料，國(guó)內(nèi)已研究過(guò)不同矸石粒徑應(yīng)力、應(yīng)變的關(guān)系。通過(guò)試驗(yàn)可知，對(duì)矸石充填體施加同樣的軸向載荷，矸石的粒徑越大，也將產(chǎn)生較大的壓縮變形，即粒徑越大，充填體壓縮率越高。產(chǎn)生該現(xiàn)象的主要原因是大粒徑的矸石材料，其顆粒間具有較大的孔隙和較高的孔隙度，在其受軸向力產(chǎn)生壓實(shí)過(guò)程中，這些孔隙將被壓縮和填塞，以致產(chǎn)生較大的應(yīng)變。

3.2. 充填材料含水量對(duì)充填體壓縮變形影響

通常情況下矸石充填材料含水量會(huì)對(duì)充填體的壓縮變形造成一定程度的影響[18]。但一般的矸石都是就近取材，改變其含水量的難度較大，故對(duì)其含水量不作重點(diǎn)研究。通過(guò)對(duì)7608工作面的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，充填材料的平均含水量為9.18%。

3.3. 壓實(shí)方式對(duì)充填體壓縮變形的影響

充填工作面傾角越大，充填的矸石在自重力作用下越容易密實(shí)，其充填效果亦較好[19]。提高矸石的初始?jí)簩?shí)率能有效減小等價(jià)采高，更好地控制地表沉陷與變形。具體表現(xiàn)為搗實(shí)機(jī)加強(qiáng)對(duì)矸石的作用，使其盡量充滿充填區(qū)域。

3.4. 充填采煤提高充填體壓縮性能的措施

充填體壓縮率還受充填體強(qiáng)度和圍巖壓力的影響，充填體強(qiáng)度越大，壓縮率越小[6]。矸石粉煤灰充填與傳統(tǒng)單一矸石充填不同，矸石作為充填骨料，粉煤灰則用來(lái)當(dāng)作輔料減少充填料中的空隙，以便提升充填體壓縮性能。提高充填體的壓縮性能可以通過(guò)減小壓縮率的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，例如可以調(diào)節(jié)充填體材料顆粒大小和壓實(shí)方式，還可以進(jìn)行注漿補(bǔ)強(qiáng)，同時(shí)也要控制好充填的成本，合理進(jìn)行井下充填。采煤過(guò)程中，需要不斷改善工作條件，采用更多的完善方案，在滿足安全要求的前提下最大限度地提高經(jīng)濟(jì)效益，選擇相應(yīng)合適的措施。

4. 矸石粒徑大小對(duì)充填體壓縮率影響的試驗(yàn)

通常情況下充填體強(qiáng)度的研究比較多一些，而關(guān)于充填體粒徑的研究比較少，通過(guò)大量試驗(yàn)研究，得出了不同矸石粒徑大小充填體對(duì)地表沉陷的影響規(guī)律。鑒于該礦是矸石和粉煤灰混合充填，與單一矸石充填有所區(qū)別，該試驗(yàn)研究不同矸石粒徑大小對(duì)混合充填體壓縮變形的影響。由7606工作面現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際生產(chǎn)可知充填開(kāi)采時(shí)，采用的是矸石和粉煤灰固體混合物密實(shí)充填，通過(guò)實(shí)際過(guò)程中科學(xué)的配比研究，選定矸石與粉煤灰的質(zhì)量配比為 10:3。可統(tǒng)一試驗(yàn)矸石和粉煤灰的質(zhì)量配比，對(duì)充填材料進(jìn)行單軸抗壓試驗(yàn)，對(duì)不同矸石粒徑充填體壓縮率進(jìn)行分析，研究相同載荷作用下充填體的壓縮變形規(guī)律。

4.1. 矸石粉煤灰壓縮試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用自制圓柱形鋼筒，將制備好的矸石粉煤灰混合體放入圓柱形鋼筒內(nèi)，在試件上放上傳遞載荷的鋼柱，采用壓力試驗(yàn)機(jī)對(duì)其進(jìn)行加載。加載不同粒徑的矸石粉煤灰充填體，記錄施加的載荷及其相應(yīng)的壓縮率，計(jì)算各組試件在試驗(yàn)中的壓縮率。

用實(shí)驗(yàn)室粒徑篩選機(jī)篩選矸石，得到 0～0.6、0.6～2.5、2.5～5、5～10、10～15、15～20 mm 共 6 組單粒徑矸石。對(duì)不同粒徑的矸石進(jìn)行軸向壓縮試驗(yàn)，研究各組試樣的變形特征，軸向壓力加載速率為1 N/s，采集的數(shù)據(jù)為軸向應(yīng)力和軸向壓縮變形量。試驗(yàn)中采用的自制模具為圓柱形鋼筒，內(nèi)徑為8.0 cm，外徑為9.0 cm，壁厚為0.5 cm，筒高16.0 cm。統(tǒng)計(jì)研究結(jié)果表明，試驗(yàn)所用鋼筒內(nèi)徑(D)與試樣最大粒徑(dmax)之間合理關(guān)系為：dmax≤ D/5。試驗(yàn)所用鋼筒D為80 mm，因此矸石的最大單粒徑區(qū)間為15～20 mm，基本滿足要求。試驗(yàn)時(shí)，圓柱形鋼筒側(cè)壓大致處于相同條件，可采用控制變量法，只研究軸向應(yīng)力對(duì)充填體壓縮率的影響。設(shè)計(jì)單軸壓力分別為10、25、50、100 kN，根據(jù)圓筒內(nèi)充填體受壓面積，計(jì)算可得對(duì)應(yīng)的軸向應(yīng)力依次為2、5、10、20 MPa。試驗(yàn)所用篩選矸石粒徑的器材、矸石粉煤灰放置在圓柱形鋼筒后進(jìn)行加載的示意圖如圖2所示。

Figure 2. The schematic diagram of specimen loading equipment圖2. 試件加載設(shè)備示意圖

4.2. 矸石粒徑與充填體壓縮變形相關(guān)性分析

試驗(yàn)的研究目的是掌握矸石粉煤灰充填體壓縮特性，找出充填體矸石粒徑與壓縮變形的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可在實(shí)際可操作范圍內(nèi)選出優(yōu)化的粒徑方案，進(jìn)一步減小充填體的壓縮率，進(jìn)而更好地控制地表沉陷。充填體壓縮率可通過(guò)壓縮率和裝樣高度的比值進(jìn)行計(jì)算。其中，壓縮率的計(jì)算公式為：

式中：V為壓縮率，%；H0為充填體試件未壓縮前的高度，mm；H1為充填體受軸向壓力作用穩(wěn)定后的高度，mm。

將試驗(yàn)前后充填體進(jìn)行對(duì)比可知，未壓縮前的充填料比較松散，顆粒較大，壓縮后矸石發(fā)生破碎，顆粒變小，并且矸石和粉煤灰密實(shí)在一起，充填體隨著傳載鋼柱往下移動(dòng)了一段距離，擠壓破碎后的矸石體積變小將空隙進(jìn)一步減小，使充填體進(jìn)一步壓實(shí)，如圖3所示。

Figure 3. The sketch of gangue fly ash in the steel cylinder before and after compression圖3. 鋼筒內(nèi)矸石粉煤灰壓縮前(a)、后(b)示意圖

由圖4可以看出，軸向應(yīng)力為20 MPa時(shí)，最大的壓縮率為33%左右，最小的壓縮率也有23%左右，數(shù)值有較大差異。不同矸石粒徑大小的充填體充填效果不同，具體表現(xiàn)為矸石粒徑越小充填效果越好，但并不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系。當(dāng)粒徑小于2.5 mm時(shí)，充填體壓縮率的變化非常緩慢，可能由于材料之間距離較近，分子之間產(chǎn)生斥力，導(dǎo)致壓縮變得困難。當(dāng)不同粒徑矸石充填體承受相同軸壓時(shí)，壓縮率隨著矸石粒徑的減小而減小，矸石粒徑最小的充填體壓縮率最小，最大的充填體壓縮變形也最明顯。

Figure 4. The compression rate of filling body at 20 MPa axial stress圖4. 軸向應(yīng)力20 MPa時(shí)充填體壓縮率

對(duì)不同矸石粒徑大小的混合料充填體進(jìn)行相同的軸向加載試驗(yàn)可得其壓縮曲線如圖5所示。

Figure 5. The variation of stress compression of filling body with different sizes of gangues圖5. 不同矸石粒徑充填體受力壓縮變化圖

對(duì)比曲線可以看出，充填體中矸石粒徑大小和充填體壓縮變形量呈正相關(guān)關(guān)系。施加同樣的軸向載荷，矸石粒徑較大的充填體，對(duì)應(yīng)的壓縮率也比較大，矸石粒徑較小的充填體，壓縮變形也會(huì)較小一些。矸石粉煤灰混合充填體在剛開(kāi)始施加軸向應(yīng)力載荷時(shí)，壓縮率隨著載荷增加而迅速增加，軸向加載從 0到5 MPa之間曲線切線斜率最大，壓縮率增長(zhǎng)最快。軸向加載進(jìn)行了一段時(shí)間后，充填體中的矸石粉煤灰進(jìn)行了初步的壓實(shí)，顆粒之間相互運(yùn)動(dòng)困難，活動(dòng)的空間變小，主要在10 MPa以后壓縮變形增速變得特別小。施加軸向載荷時(shí)間繼續(xù)增加，應(yīng)力也不斷變大，充填體的壓縮率逐漸趨向穩(wěn)定，壓縮率保持一個(gè)穩(wěn)定值。

5. 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)充填料矸石粒徑大小的研究表明，矸石粒徑大小對(duì)充填體壓縮率有一定的規(guī)律可循，可通過(guò)優(yōu)化選擇矸石粒徑調(diào)節(jié)矸石的壓縮率因素來(lái)控制地表沉陷。充填體受壓縮之后壓縮率越大，則控制地表及覆巖移動(dòng)的效果越差，反之則控制效果越好。充填體中矸石粒徑越大，對(duì)應(yīng)充填體壓縮率越大，抵抗壓縮變形的能力越弱，要對(duì)輸送、加工以及施工成本等進(jìn)行綜合考慮，采用合理粒徑范圍的矸石進(jìn)行充填。當(dāng)矸石的壓縮率較小時(shí)，充填完成后的充填區(qū)域頂?shù)装逡平枯^小，其控制地表沉陷的效果也越好，充填效果顯著。

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