固體充填材料比例特征及應力特性研究

劉建功 王 英

(1.河北工程大學，河北省邯鄲市，056038；2.河北煤炭科學研究院，河北省邢臺市，054000；3.國家能源充填采煤技術重點實驗室，河北省邢臺市，054000)

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固體充填材料比例特征及應力特性研究

劉建功1,3王 英2，3

(1.河北工程大學，河北省邯鄲市，056038；2.河北煤炭科學研究院，河北省邢臺市，054000；3.國家能源充填采煤技術重點實驗室，河北省邢臺市，054000)

在綜合機械化固體充填采煤技術中，以地面煤矸石、粉煤灰、黃土等固體廢棄物為主要充填材料，借助充填設備實現采空區充填與壓實是一種行之有效的充填方法。為了更好實現固體充填的充填質量，保證充填密實，切實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，對充填體應力特性進行試驗研究，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料后固體充填體的強度及密實充填率、充填體壓縮率變化情況，提出了對固體充填體進行二次注漿方法，結果表明通過此方法完全可以實現充填膠結體的連續性，保證了充填體的密實充填率。

固體充填 配比 強度 密實充填率 膠結料 二次注漿

生態環境保護對煤炭開采提出了新的要求， 綠色開采和生態保護性開采付諸實踐，取得了大量開創性的成果。固體充填采煤作為生態保護性開采的一項重要技術，利用煤矸石、粉煤灰、黃土等廢棄或廉價固體材料置換“三下一上”煤炭資源，解決了呆滯煤炭回收、生態環境保護與礦區可持續發展的難題，在國內許多礦區得到成功應用。

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、體積收縮，表現出明顯的散體特征。各組分配比不同的固體材料充填至采空區后在上覆巖層壓力作用下出現不同程度的壓縮變形，充填率和強度隨之發生改變。充填材料變形穩定后的體積與采出的煤炭體積之比即密實充填率，密實充填率對巖層移動變形起著決定性的控制作用，對充填效果有直接的影響。

根據采礦和地質條件，選擇最佳材料配比和密實充填率，有利于控制直接頂的下沉，保護關鍵層和地表。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，分析了加入膠結料后固體充填體的強度及密實充填率、充填體壓縮率變化情況，提出了對固體充填體進行二次注漿方法，保證了充填體的密實充填率，有效地控制了頂板下沉，適應特殊充填開采的需要。

1 固體充填材料性質及配比試驗研究

1.1 固體材料物理化學性質

在綜合機械化固體充填采煤技術中，選擇充填材料及其強度時，不僅要考慮礦山的安全與穩定，而且還要考慮充填成本和礦山經濟效益，實現礦山在最優成本下的安全、高效、綠色及生態開采。

(1)煤矸石。在采煤過程中，煤矸石是對環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，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灰，是燃煤電廠排出的主要固體廢物。粉煤灰是我國當前排量較大的工業廢渣之一，大量的粉煤灰不加處理會產生揚塵，污染大氣，將其作為固體廢棄物進行井下充填是一種理想的利用途徑。

(3)黃土。黃土是在第四紀干旱、半干旱的氣候環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。黃土的工程性質與其成因、時代和埋藏深度有關。近半個世紀以來, 各國學者對黃土膠結作用和結構性的研究從未間斷, 黃土的膠結作用既包括聚集體內部的膠結, 又包括聚集體間的膠結, 聚集體成分、結構是黃土工程特性形成的物質基礎。黃土的這種膠結作用在固體充填采煤技術中極為有益。本試驗中黃土的松散容重為1.14～1.30 kg/m3，煤矸石、黃土、粉煤灰的化學成分分析見表1。

表1 原材料化學成分分析

煤矸石可以單獨作為充填料直接充填，但是粘結性較差，會影響充填效果，如果加上適量的粉煤灰或黃土，相當于增加了粘結劑，充填效果會更好。當然，添加材料種類要把充填效果、當地資源狀況和充填成本統一考慮，不同添加材料的配比是充填采煤技術的關鍵因素。

1.2 材料配比方案的確定

在邢臺煤礦，充填材料是煤矸石和粉煤灰，當煤矸石與粉煤灰配比為1∶0.31時，二者體積的差值最小，表明在此配比條件下，壓實力從1.5 MPa變化至7.5 MPa時，壓實的變形量很小，此時的充填材料經夯實以后，巖層有效變形空間非常小，可以較好地控制采場頂板，以達到限制巖層的移動、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，但可采用礦區豐富的煤矸石和周邊富存的黃土作為充填材料，本文針對金家莊礦的矸石和黃土配比的性能進行研究。

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微機控制電子萬能試驗機進行試驗，試模尺寸為?100 mm×180 mm，加壓強度根據實際情況確定為1.2 MPa，成型后進行養護和固結，然后對試塊進行抗壓強度測試。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，應力應變曲線如圖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、黃土不同配比應力應變曲線

1.3 特征區的劃分

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

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

由于黃土是一種膠結性材料，加入適量水后可以產生很強的膠結力。以黃土作為膠結料，配合粗骨料形成的充填體，其密實程度、顆粒級配以及孔隙率對充填體的力學特性起著決定性的影響。在煤矸石、黃土固體充填技術中，煤矸石作為粗骨料，黃土作為細骨料并同時充當膠結料的作用。由于二者的特性完全不同，因此隨著配合比例變化，受壓破壞載荷值產生了非連續性變化，并呈現“幾”字形規律。當煤矸石超過一定比例時，盡管煤矸石具有更高的硬度，但缺少膠結料的粘結作用，充填體呈現離散狀態，易于破壞，承壓能力弱。當黃土增多時，充填體粘結性增強，體現出良好的成型狀態，但如果粗、細骨料配比不當，成型后密實程度差，同樣易于破壞。而在黃土特征區，隨著黃土比例逐漸增大，黃土膠結能力占主導因素，壓實后的充填體密實度高，抗變形能力增強，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，充填材料應多利用煤矸石，配比方案應選擇在矸石特征區；為提高充填質量，又應選擇矸石特征區的抗壓應力最高點，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 充填材料應力特性強化

2.1 充填材料摻入膠結料后強度變化

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

表3數據表明，加入不同類型膠結料后，充填材料強度出現明顯的增長，1 d抗壓強度從0.144 MPa增長到0.471～1.233 MPa，3 d抗壓強度從0.191 MPa增長到0.793～1.200 MPa，7 d抗壓強度從0.195 MPa增長到0.943～1.640 MPa，充填材料的密實充填率變化較小，維持在83%～85%。

充填體中加入膠結料后，其強度增長來源主要是膠結料。膠結料遇水發生一系列物理化學反應，其中礦物水化以后形成的晶體物質相互交錯，聚結在一起從而使整個物料凝結并硬化。膠結料水化初期形成許多晶體包裹在顆粒表面，連成空間網狀結構，隨著水化反應進行，顆粒表面的包裹層水化反應加速，從飽和的溶液中析出新的、更穩定的水化物晶體，這些晶體不斷長大，依靠多種引力使彼此粘結在一起形成緊密的結構，不斷充滿在結構的空間中，因此充填體形成比較高的強度。

表3 加入膠結料后不同齡期抗壓強度

2.2 二次加壓后固體充填材料的特性

固體充填材料經過一次加壓成型，其密實充填率可以達到83%～85%左右，為了驗證其耐壓情況，試驗采用加壓1.2 MPa后重復進行二次加壓，觀察其耐壓變形情況。試驗一次加壓1.2 MPa，二次加壓分別為1.2 MPa、1.5 MPa、1.8 MPa。試驗結果見表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比

根據以上試驗說明，對材料一次加壓成型后，重復進行二次加壓，其耐壓性能良好，壓縮率控制在2.14 %以下(在實驗室理想狀態下，充填體完全受限，此情況與現場實際應用略有出入)，在充填開采要求不高的情況下，對固體材料進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，提高充填體密實充填率。

2.3 二次注漿后固體充填材料的特性

充填體對上覆巖層運動的抑制程度由充填體的致密性決定，為了進一步提高充填體密實充填率，改變充填體特性，實現充填材料的連續性，采用對充填體進行注漿試驗。二次注漿試驗過程及注漿后充填體形態如圖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

二次注漿后充填體密實充填率變化情況見表5。

表5 二次注漿后充填體密實充填率變化情況

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

3 結論

(1)通過不同試驗數據分析，混合固體充填材料根據材料的本身特性，按照配比形成不同特征區，非常直接地影響充填效果，如采用煤矸石、黃土材料時，試驗研究得出“幾”字形特征曲線，可用來指導現場充填配比的選擇。

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

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

(4)對固體充填體進行二次注漿補償，可以實現充填材料的連續性，有效提高了充填體的充填率。

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(責任編輯 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

河北省重大技術創新資助項目(11276722Z)

劉建功，王英. 固體充填材料比例特征及應力特性研究[J]. 中國煤炭，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，教授級高工，博士生導師，從事煤礦充填開采、保護水資源開采、自動化控制、機械裝備和生態礦山建設等方面研究工作。