采空區充填體強度分布規律試驗研究

邱華富，劉浪，孫偉博，張小艷

采空區充填體強度分布規律試驗研究

邱華富1, 2，劉浪1, 2，孫偉博1, 2，張小艷1, 2

(1. 西安科技大學 能源學院，陜西 西安，710054； 2. 教育部西部礦井開采及災害防治重點實驗室，陜西 西安，710054)

針對2種不同充填下料口位置，通過相似模型漿體充填試驗，分析采空區充填漿體流動沉積規律及充填漿體顆粒質量分數分布規律，研究采空區充填體強度空間分布。根據采空區充填體強度分布特征，提出采空區充填體強度評價方法。研究結果表明：充填體強度受漿體顆粒質量分數影響，粗顆粒質量分數越大，其單軸抗壓強度越大；充填漿體在流動沉積過程中，顆粒分布不均勻導致其充填體強度分布不均勻；在流動方向上，充填體強度分布基本符合正太分布規律，離充填口距離越大，粗顆粒質量分數越小，細顆粒質量分數越大，其充填體強度越?。辉诔练e方向上，充填體強度呈線性變化規律，隨高度增加，粗顆粒質量分數降低，細顆粒質量分數增加，其強度線性降低；在采空區充填區域同時存在強度增強和損失區域，但只要該區域充填體強度大于規定的有效強度，即認為充填達到標準要求。

漿體；流動沉積；強度；顆粒

近年來，隨著人們對環境保護的關注及綠色開采的提倡，充填采礦的應用越來越廣泛。漿體充填具有環保、節能、減排、安全、高效等優點，是礦山充填技術的重要發展方向。充填漿體主要由細骨料、粗骨料及化學外加劑組成。其中細骨料主要由全尾砂、水及膠凝材料(常用水泥作為膠凝材料)組成，粗骨料主要由棒磨砂、細石及固體廢渣等組成，化學外加劑主要由泵送劑、早強劑、減水劑、緩凝劑、減阻劑等組成。充填漿體由輸送管道輸送至采空區，從輸送管道流出的漿體在采空區流動沉積直到將采空區完全充填。在漿體流動沉積過程中，組成漿體的充填骨料顆粒隨著漿體一起流動沉積，不同粒度的顆粒在流動過程中所受到的外力不同，導致其運動軌跡不一樣。漿體在采空區運移致使顆粒重新分布，從而使采空區漿體固結后強度呈現不均勻性，這對充填質量產生重要影響。國內外研究者對充填漿體進行了大量基礎研究，如：于潤滄等[1?2]研究了料漿質量分數對充填體的影響，提出了料漿臨界流態質量分數概念，建立了臨界流態質量分數的數學模型；吳愛祥等[3?4]對膏體料漿的流變性進行了研究，分析了泵送劑對膏體料漿流變性能的影響，探討了膏體充填料漿管道輸送阻力特性的變化規律；王新民等[5]對充填料漿流動沉積規律進行了研究，得出在無限水平面上充填料漿流動規律呈正態分布。目前，人們對充填料漿的相關研究主要在充填料漿配比優化[6?7]、充填料漿管道輸送特征[8?9]及充填體強度特征[10?19]等方面，而針對充填漿體在采空區充填過程中流動沉積方面的研究較少。關于充填體強度的研究主要集中在充填材料配比對充填體強度的影響方面，而對充填過程中流動沉積對采空區充填體強度空間分布影響的研究較少，關于充填漿體在采空區流動沉積后充填體顆粒質量分數分布的研究更少。采空區充填漿體顆粒質量分數分布對充填體強度有重要影響，為此，本文作者基于采空區充填漿體流動沉積規律，研究充填顆粒質量分數分布對充填體強度分布的影響，探索采空區充填體強度空間分布規律。

1 充填料漿流動沉積理論

1.1 充填漿體流動沉積機理

充填漿體是一種不穩定的懸浮體系，其顆粒極易沉淀分層。充填漿體進入到采空區后，漿體中的顆粒發生沉淀分層，漿液均勻性降低，顆粒沉積后漿體底部密度變大，頂部密度變小。由于漿體向遠處沖刷，使得遠處的細顆粒比近處的多。

充填漿體流動沉積見圖1。從圖1可知充填漿體進入到采空區其流動沉積機理主要體現在：1) 在充填端口，由于漿體沖刷形成1個凹槽，并且在充填過程中形成1個椎形構筑物；2) 粗顆粒比細顆粒沉積快，故靠近充填端口粗顆粒較多，細顆粒隨漿體的移動向遠端移動沉積；3) 新注入漿體沿著已沉積漿體坡面流動沉積；4) 在充填過程中，沉積水在采空區遠端聚集并排出。

圖1 充填漿體流動沉積

1.2 充填漿體流動沉積幾何結構模型

充填漿體進入采空區后向兩邊擴散，質量分數逐漸降低。充填漿體在流動沉積過程中符合正態分布，其坡面曲線模型為

式中：為坡面高度；為充填漿體沉積高度；2為均方差；和為待定常數。均方差對于漿體沉積結構非常關鍵，反映了漿體沉積時的陡緩程度，是由充填漿體質量分數、粒徑分布、膠結材料質量分數等因素共同決定。而在現場充填過程中，均方差是根據經驗進行估值。待定常數和與充填區域位置有關，當充填漿體在無線平面上流動沉積時，和均為0，此時坡面曲線模型為

2 漿體充填相似模型試驗

2.1 試驗平臺構建

為了獲得采空區充填漿體流動沉積規律及顆粒質量分數分布特征，進行采空區充填相似模型試驗(水槽試驗)。根據礦山采空區實際情況，選定某礦長×寬×高為40 m×20 m×20 m的空區進行充填模擬。試驗模型與實際模擬比選為1:20，水槽的長為200 cm，寬為100 cm，高為100 cm，其試驗平臺如圖2所示。

以相似理論[20]為基礎，根據弗勞德相似準則，獲得相似比尺關系：

A—試驗1充填口位置；B—試驗2充填口位置。

2.2 充填材料選擇及配比

根據礦山充填實踐，以充填漿體流動性、充填體強度和成本為優化目標，在滿足充填料漿技術參數條件下，選擇以充填漿體質量分數、水泥耗量、棒磨砂與全尾砂質量比為主要配比參數，進行充填料漿材料配比設計。充填料漿質量分數為76%，灰砂比為2:9，棒磨砂與全尾砂質量比為1:1，其相應的材料屬性如表1所示。

表1 充填漿體材料物性參數

2.3 試驗設計

1) 按要求制備試驗充填漿體材料，用試驗漿體制成充填體標準試件，測定充填體標準試件單軸抗壓強度(養護時間14 d)。

2) 按要求制備充填模型試驗所需充填漿體材料，試驗在水槽試驗平臺上完成，經過二級攪拌的充填漿體經過下料漏斗輸送至水槽將水槽充填滿。待充填漿體脫水固化后養護14 d。試驗分為2組，分別對應不同的下料口位置：第1組試驗對應的下料口位置在采空區左中心處，第2組試驗對應下料口位置在采空區正中心位置，其位置分布如圖2所示。待2組試驗完成后，分別取樣測試，測試內容包括：1) 采空區不同位置充填體表面高度；2) 采空區不同位置充填體粗、細顆粒質量分數；3) 采空區不同位置充填體強度。

通過試驗測定內容分析采空區充填漿體流動沉積規律、顆粒質量分數分布特征及對充填體強分布的 影響。

3 試驗結果及分析

3.1 充填漿體流動沉積規律

采空區漿體充填后，經過流動沉積作用，充填漿體脫水固化后會形成幾何機構。第1組和第2組試驗經充填脫水固化后，測定其沿流向上充填體的高度，其結果如圖3所示。

(a) 試驗1；(b) 試驗2

從圖3(a)可以看出：在試驗1中，最小沉積值(即充填高度與沉積高度之差)為5 mm，發生在下料口下方(水平位移0 m)；最大沉積值為38 mm，發生在離下料口最遠端位置(水平位移為2 m)。從圖3(b)可以看出：在試驗2中，最小沉積值為5 mm，在下料口下方(水平位移0 m)，最大沉積值為22 mm，在離下料口最遠端位置(水平位移動1 m)。這2組試驗結果表明：下料口遠端的沉積量明顯比近端的大，這是由于膏體在流動沉積過程中，顆粒越大沉積越快，顆粒越小沉積越慢；另外，大顆粒在橫向流動過程中受到的阻力越大，在橫向的運動距離越小，這樣形成了在近端大顆粒分布多、小顆粒分布少，在遠端大顆粒分布少、小顆粒分布多的現象。當下料口由邊界位置移到充填區正中間位置時，縮短了沿流向的水平位移，從整個充填區域來講，試驗2整體平均沉降比試驗1的小，沉積更均勻。

為檢驗充填體沉積幾何模型(式(1))的準確性，將沉積高度預測值與實測值進行對比，其結果如圖4所示。從圖4可見：沉積高度預測值和實測值基本吻合，說明該預測模型能有效反映充填漿體流動沉積幾何結構。

(a) 試驗1；(b) 試驗2

3.2 充填體顆粒質量分數分布特征

采空區漿體充填后，經過流動沉積作用，充填漿體脫水固化，形成的充填體中粗顆粒、細顆粒質量分數與標準配比漿體中粗顆粒、細顆粒質量分數相比有了明顯變化，其沿流動方向及沉積方向上粗、細顆粒質量分數的變化規律主要受充填條件及流動沉積作用影響，所以，在此研究采空區充填體沿流向及沉積方向上(豎直方向)粗、細顆粒質量分數分布規律。在試驗中，粗顆粒主要是棒磨砂顆粒，細顆粒主要是尾砂顆粒(包含少量水泥)，棒磨砂、尾砂粒徑相差10倍左右，通過電鏡掃描和計算機圖像分析對試樣粒徑進行分析。在2組充填試驗中，充填完成脫水固化、養護14 d后，沿水平方向上每隔0.25 m取邊長為2 cm的立方試件、沿沉積方向上每隔0.1 m取邊長為2 cm的立方試件，對試樣顆粒粒徑進行測定及對顆粒質量分數進行分析。

3.2.1 流動方向充填體顆粒質量分數分布規律

試驗1(下料口在邊界處)充填體沿流向上的顆粒質量分數分布如圖5所示。從圖5可見：在離下料口最遠端的頂部位置，細顆粒質量分數最大，為71%，粗顆粒質量分數最小，為29%；在下料口正下方底部位置，粗顆粒質量分數最大，為54%，細顆粒質量分數最小，為46%。

(a) 粗顆粒；(b) 細顆粒

試驗2中，充填體(下料口在正中間)沿流向上的顆粒質量分數分布如圖6所示。從圖6可見：在離下料口最遠端的頂部位置，細顆粒質量分數最大，為71%，粗顆粒質量分數最小，為29%；在下料口正下方底部位置，粗顆粒質量分數最大，為48%，細顆粒質量分數最小，為52%。

(a) 粗顆粒；(b) 細顆粒

分析圖5和圖6可見：1) 在流動方向上，隨著離下料口距離增加，粗顆粒質量分數降低，細顆粒質量分數增加。這是由于顆粒在流動沉積過程中，粗顆粒沉積速度較快，容易在下料口近端位置積聚，細顆粒質量較小，由于離析作用容易被帶到遠端；2) 充填體顆粒質量分數沿流向上的分布基本符合正太分布規律，其表達式可以表示為

式中：為顆粒質量分數；為流向上離下料口的距離，向右為正，向左為負；0，0，0和0為相關常數，主要受充填漿體成分配比、采空區充填區域、充填口位置等因素的影響。

3.2.2 沉積方向上充填體顆粒質量分數分布規律

試驗1中，充填體(下料口在邊界處)沿沉積方向上顆粒質量分數分布如圖7所示。從圖7可見：當充填體在下料口近端位置(水平位移為0 mm)取樣時，設充填體底部標高為0 mm；隨著高度增加，粗顆粒質量分數由53%降低到48%，細顆粒質量分數由47%增加到52%；當充填體在下料口遠端位置(水平位移為 2 m)取樣時，隨著高度增加，粗顆粒質量分數由33%降低到29%，細顆粒質量分數由67%增加到71%。

(a) 粗顆粒；(b) 細顆粒

試驗2(下料口在正中間)中，充填體沿沉積方向上的顆粒質量分數分布如圖8所示，其中，圖8(a)和圖(b)所示分別表示粗顆粒(棒磨砂)、細顆粒(尾砂)質量分數分布。試驗表明：當充填體在下料口近端位置(水平位移為0 m)取樣時，設充填體底部標高為0 m，隨著高度增加，粗顆粒質量由47.5%降低到40.5%，細顆粒質量分數由52.5%增加到59.5%；當充填體在下料口遠端位置(水平位移為1 m)取樣時，隨著高度增加，粗顆粒質量分數由35.4%降低到29.5%，細顆粒質量分數由64.6%增加到70.5%。

(a) 粗顆粒；(b) 細顆粒

分析圖7和圖8可見：

1) 由于沉積作用，在豎直方向上，底部粗顆粒質量分數較大，細顆粒質量分數較?。浑S著高度增加，粗顆粒質量分數減小，細顆粒質量分數增大。

2) 在沉積方向上，顆粒質量分數沿沉積方向上呈線性變化規律，即隨高度增加，粗顆粒質量分數線性降低，細顆粒質量分數同步線性增加；在不同的水平位置，沉積方向上的粗(細)顆粒的質量分數線性增大(降低)速率不一樣，越靠近下料口位置，沉積方向上的顆粒質量分數增大(降低)速率越大。

3.3 充填體強度分析

在采空區漿體充填過程中，經過流動沉積作用，充填漿體脫水固化后形成的充填體中粗、細顆粒質量分數與標準配比漿體中粗、細顆粒質量分數相比發生明顯變化。充填體在聯結方式相同條件下，強度主要受其組成顆粒級配、比例影響，當顆粒粒徑確定時，主要受粗細顆粒質量分數影響。在2組充填試驗中，充填完成脫水固化、養護14 d后，沿水平方向上每隔0.25 m取邊長為5 cm的立方試件、沿沉積方向上每隔0.1 m取邊長為5 cm的立方試件，測定試樣的單軸抗壓強度。

3.3.1 充填體流向上強度分布

充填體沿流向上的強度分布結果如圖9所示。從圖9(a)可以看出：在試驗1中，下料口正下方底部位置充填體強度最大，為2.34 MPa，下料口正下方頂部位置充填體強度為1.68 MPa；離下料口水平位移2 m的頂部位置充填體強度最小，為1.12 MPa，離下料口水平位移2 m的底部位置充填體強度為1.68 MPa。從圖9(b)可以看出：在試驗2中，下料口正下方底部位置充填體強度最大，為2.30 MPa，下料口正下方頂部位置充填體強度為1.90 MPa；離下料口流向1 m的頂部位置充填體強度最小，為1.52 MPa，離下料口2 m的底部位置充填體強度為1.86 MPa。

(a) 試驗1；(b) 試驗2

分析圖9得知：

1) 在不同高度方向上，充填體強度沿流動方向的變化趨勢相同，離下料口越近，充填體強度越大，隨著離下料口的距離增加，充填體強度不斷降低。經過擬合發現，充填體強度在流向上的分布基本符合正太分布，強度在充填口位置處最大，離充填口位置越遠，強度越小。充填體強度分布的這種不均勻性主要受充填過程中顆粒質量分數重新分布的影響，在下料口近端，粗粒徑顆粒分布較多，其強度較大，離下料口遠端，細顆粒分布較多，其強度較小。

2) 對比2組試驗結果可知，下料口位置不一樣，強度在高度方向上的差值不同，試驗1約為0.66 MPa，試驗2約為0.40 MPa，2組試驗的強度極差分別為1.22 MPa和0.78 MPa，說明試驗2強度分布的均勻性要比試驗1強度分布的均勻性好。

3) 通過擬合分析，充填體強度在流向方向上的強度分布可以表示為

式中：σ為充填體強度；為沿流向的距離；0，0，0和0為相關常數，主要受充填漿體成分配比、采空區充填區域、充填口位置等因素的影響。

3.3.2 充填體強度沿沉積方向上分布

充填體強度沿沉積方向(豎直方向)上的分布如圖10所示。從圖10可見：沿充填體沉積方向上，充填體強度隨高度增加而減小；在充填區底部充填體強度最大，頂部最小。這是由于充填漿體在沉積作用下，底部粗顆粒分布多，細顆粒分布較少，充填體強度較大，頂部細顆粒分布較多，粗顆粒分布較少，其充填

體強度較小；在沉積方向上，充填體強度沿沉積方向呈現線性變化規律，即隨高度增加，強度線性降低。

(a) 試驗1；(b) 試驗2

3.3.3 采空區充填效果分析

在充填開采中，充填質量與充填效果密切相關。充填體強度是影響充填效果的重要因素，首先應該根據實際礦山采空區圍巖應力分布情況確定所需要的充填體標準強度c0。采空區充填體強度大于標準強度的區域稱為強度增強區，小于標準強度稱為強度損失區。2組試驗的充填漿體脫水固化制得的標準試件強度均為1.7 MPa，即充填體標準強度為1.7 MPa。試驗1中，充填體沿流動沉積方向上的強度分布如圖11(a)所示，其中，大于1.7 MPa的左下方區域為強度增強區，小于1.7 MPa的右上方區域為強度損失區。當充填口位置在左邊界位置時，充填體強度增強區范圍較小，其強度損失區范圍較大。試驗2中，充填體沿流動沉積方向上的強度分布如圖11(b)所示，其中，大于1.7 MPa的區域為強度增強區，小于1.7 MPa的區域為強度損失區。從圖11可以看出：只有邊界上2個上角很小的區域為強度損失區。強度損失區越小，說明充填效果越好。

(a) 試驗1；(b) 試驗2

在充填過程中，有些位置強度稍低于標準強度也不會影響充填效果，為此引進有效系數來定義有效強度，一般取0.6~1.0，則有效強度計算式為

4 結論

1) 采空區充填漿體在流動沉積過程中，不同粒徑顆粒的質量分數分布不均勻。粗粒徑顆粒在流動沉積過程中，其沉積速度大，運動時間短，表現為在下料口附近顆粒質量分數較大，離下料口位置越遠，顆粒質量分數越小。細顆粒沉積速度小，運動時間長，表現為在下料口附近顆粒質量分數較小，離下料口位置越遠，顆粒質量分數越大。顆粒質量分數在豎直方向上由于沉積作用，表現為底部粗顆粒質量分數較大，細顆粒質量分數較小，在頂部粗顆粒質量分數較小，細顆粒質量分數較大。顆粒質量分數在流向上呈正太分布規律，在沉積方向上呈線性分布規律。

2) 由于充填漿體在流動沉積過程中，不同粒徑顆粒質量分數分布不均勻，導致漿體充填區最終沉積不均勻，表現為離下料口位置越近，沉積越小，離下料口位置越遠，其沉積越大。充填體高度沿流向呈正太分布規律，與預測的幾何模型所得結果較吻合。

3) 充填漿體在流動沉積過程中，不同顆粒質量分數分布的不均勻性影響充填區域充填體強度，表現為粗顆粒質量分數質量分數大，充填體強度越大；細顆粒質量分數質量分數大，充填體強度越小。

4) 在采空區充填區域存在強度增強區和強度損失區，充填位置不同，其強度增強區、強度損失區范圍不一樣。當充填位置位于采空區中心時，其強度增強區較大，強度損失區較小，強度分布的均勻性更好。提出了采空區充填體強度評價方法，認為只要該區域充填體強度大于規定的有效強度，則認為充填達到標準要求。

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(編輯 陳燦華)

Experimental study on strength distribution of backfill in goaf

QIU Huafu1, 2, LIU Lang1, 2, SUN Weibo1, 2, ZHANG Xiaoyan1, 2

(1. School of Energy, Xi’an University of Science and Technology, Xi’an 710054, China; 2. Key Laboratory of Western Mines and Hazard Prevention, Ministry of Education of China, Xi’an 710054, China)

Aiming at the two different discharge outlets, the flow deposition law and the particle distribution of the slurry were analyzed, and the spatial distribution of the backfill strength was studied by the slurry filling similar model test. With the consideration of the characteristics of strength distribution in goaf, the strength evaluation method of backfill was put forward. The results show that the strength of backfill is affected by the content of the slurry particles. The larger the coarse particle content is, the larger the uniaxial compressive strength is, and the uneven distribution of the strength is caused by the uneven distribution of the particles. In flow direction, the distribution of the strength of backfill is basically consistent with normal distribution curve. The greater the distance from the discharge outlet is, the smaller the coarse particle content becomes, the larger the fine particle content becomes, and the smaller the strength of backfill increases. In deposition direction, the strength decreases linearly with the increase of the height. When the height increases, the coarse particle content become smaller and the fine particle content increases, and the strength decreases linearly. There is strength enhancement and loss area in the backfill area of goaf. As long as the strength of the backfill is larger than the specified effective strength, filling is thought to meet the standard requirements.

slurry; flow deposition; strength; particles

10.11817/j.issn.1672?7207.2018.10.027

TD853

A

1672?7207(2018)10?2584?09

2017?12?02；

2018?03?05

國家自然科學基金資助項目(51504182，51674188，5157041950)；陜西省自然科學基金資助項目(2015JQ5121，2015 JQ5187)；西安科技大學校級科研項目(2014QDJ034，2014-NY-024)(Projects(51504182, 51674188, 5157041950) supported by the National Natural Science Foundation of China; Projects(2015JQ5121, 2015 JQ5187) supported by the Natural Science Foundation of Shaanxi Province; Projects(2014QDJ034, 2014-NY-024) supported by Program of Xi’an University of Science and Technology)

劉浪，博士，副教授，從事充填采礦研究；E-mail：csuliulang@163.com