煤礦矸石充填效果受夯實角影響研究

程立朝，郭翔宇，李新旺，屈正一，李文貴

(1.河北工程大學礦業與測繪工程學院，河北 邯鄲 056038；2.河北工程大學河北省高校煤炭資源開發與建設應用技術研發中心，河北 邯鄲 056038；3.河北工程大學邯鄲市煤基固廢規模化利用技術創新中心，河北 邯鄲 056038)

在我國大力推進生態文明建設的背景下，煤礦機械化矸石充填開采技術作為一項綠色開采技術被越來越多的煤礦使用[1]。充填開采可以消化地面矸石和其他固體廢物、保護地下水[2]、減少地表下沉破壞、延長礦井服務年限，同時還能控制上覆巖層下沉變形，減小工作面來壓，使煤炭回采更安全，沿空留巷更容易[3-4]。目前，機械化矸石固體充填工藝中的充填工序主要由工人對充填支架的操控實現，工人憑借經驗操縱支架尾部的夯實機構起落和伸縮將矸石推進采空區。人工操作具有一定的隨機性，會對矸石固體的空間分布和充實率造成影響，進而影響最終的充填效果。因此，開展充填工藝夯機構運動控制的研究和討論，對提高充填效率、保證充填質量具有重要意義。

黃志敏等[5]研究了震動推壓對矸石充填體充填過程的力學響應；李猛[6]研制了散體充填材料雙向加載試驗系統，測試了矸石充填材料瞬時壓實特性和蠕變壓實特性；程立朝等[7]使用實驗室試驗和EDEM離散元軟件相結合的方法研究了不同粒徑級配煤矸石材料的壓實特性，獲得了壓實特性最佳的煤矸石粒徑級配；GONG等[8-9]測試了矸石顆粒和矸石混凝土試件的力學性質，建立了FLAC-PFC耦合計算模型，分析研究了矸石充填過程對頂板的支撐效果的影響；ZHANG等[10]對矸石顆粒壓縮過程中的硬化特征進行了分析；周躍進等[11]討論了欠接頂量對充填體充實率和充填效果的影響；韓曉樂[12]使用數值模擬的方式分析了充填物料在夯實作用下的力學響應；張強等[13-16]建立了充填體和充填液壓支架協同控頂力學模型，討論了夯實力，夯實離頂距，夯實空頂距，夯實角，落料間隙距對充填效果的影響，通過優化充填支架的機械結構和夯實工藝提高了充填效果。

盡管如此，對矸石充填的夯實過程中煤矸石的細觀力學響應研究很少。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，用顆粒黏結的方式構建顆粒簇。根據ZC1800/14/25型充填液壓支架構建矸石充填工作面空間模型，以矸石充填工藝中的落料-夯實過程為對象，研究采高為2 m、空頂距為2倍截深的情況下夯實機構的夯實角度對夯實效果的影響，獲得合理的夯實角度指導現場。

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，是一種非連續介質。其粒徑級配、顆粒形狀、材料強度、顆粒間的接觸形式決定了充填體結構的穩定性和抵抗壓縮的力學響應，因此矸石顆粒模型的建立關系到實驗的準確性。 據測量，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取3 570 kg/m3。實驗測得矸石與矸石的動摩擦因數0.31，矸石與鋼板的動摩擦因數0.28，最終得到元顆?；疚锢韰岛突窘佑|參數，結果見表1和表2。

表1 元顆?；疚锢韰礣able 1 Basic physical parameters of meta-particles

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

本文矸石取自邢臺礦，主要成分為砂巖、泥巖和少量黃鐵礦夾層，矸石實物大小和形狀如圖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，互為交錯鑲嵌。顆粒形狀模型如圖2所示。

圖1 現場采回的矸石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系，并在連接力大于某個值時消失，模擬顆粒的破碎行為，較為密集的顆粒排列可以更真實的模擬顆粒的破碎，bonding鍵黏結參數見表3。

表3 黏結鍵參數Table 3 Bonding bond parameters

2 矸石充填推壓夯實實驗方案

2.1 夯實角的定義

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，支護強度0.6 MPa。將該支架固定到采高為2 m的工況下，支架主要通過控制三個液壓桿來控制矸石的下落夯實過程，分別是尾梁液壓桿、夯實液壓桿和調節液壓桿。尾梁液壓桿主要調節刮板運輸機的位置，需要落矸時，將運輸機向外推，使矸石盡量落進采空區，需要推壓時又能將運輸機向里拉為夯實機構讓出位置。夯實液壓桿是夯實機構的核心動力部件，可以將夯實板順著夯實機構抬起的方向向外推出，將矸石推進采空區。調節液壓桿調節夯實機構的抬起角度即為夯實角，夯實角對夯實效果起著非常重要的作用[10]。

圖3為不同條件下夯實機構可調節的角度范圍。由圖3可知，在調節液壓桿的調節下夯實機構的夯實角變化范圍為3°～34°；當運輸機被尾梁液壓桿推到最外側時，伸長的夯實機構夯實角變化范圍為3°～24°；當運輸機被尾梁液壓桿拉到最里側時，伸長的夯實機構夯實角變化范圍為3°～32°。本文實驗夯實角未超過24°，因此在實驗過程中無需移動運輸機。

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

2.2 實驗過程

圖4為矸石散體夯實過程模擬示意圖，由圖4可知，提前將已經充填完畢的矸石堆積于左側，形成一個斜坡。使用CAD構建充填支架三維模型，導入EDEM軟件中，并使矸石從落矸口處落下。同時設置旋轉夯實板到指定角度，對落下的矸石進行夯實推壓，觀察夯實效果。選用3°、10°、17°、24°作為實驗條件，夯實機構推壓速度為0.3 m/s，推壓4 s，行程1.2 m，實驗方案詳情見表4。

圖4 矸石散體夯實過程模擬示意圖Fig.4 Schematic diagram of simulation ofgangue bulk compaction process

表4 實驗方案詳情Table 4 Details of the experimental scheme

3 矸石充填推壓夯實模擬結果分析

3.1 推壓夯實動態演化分析

圖5為當夯實角為10°時，矸石充填推壓夯實過程中的夯實板推力-時間圖以及關鍵時間點的力鏈截圖。由圖5可知，夯實板推力整體上隨時間增加而增加，夯實板推力-時間曲線可擬合為2次函數(式(1))。

y=77-8.4x+13.8x2

(1)

整個夯實過程按照變化趨勢可以被分為三個階段：壓力平緩區、壓力波動區、壓力上升區。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。力鏈的形成說明顆粒之間相互嵌合，對作用在力鏈兩端的壓力具有較強的抵抗作用，力鏈的消散說明顆粒散體在壓力下進行位移和重新排列。

本文選取了6個具有代表性的時間點分別記為A、B、C、D、E、F，不同時間點對應的力鏈截圖，如圖5所示。由圖5可知，0～1.76 s屬于壓力平緩區，在這一階段除B點前后之外夯實板推壓力基本穩定于0～150 N之間。A點所示推壓板附近力鏈較少，無左右貫通力鏈，所對應的推壓板壓力也較小。B點力鏈左右貫通，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板的移動，導致了夯實板壓力在B點的波峰。1.76～2.94 s屬于壓力波動區，在這一階段壓力劇烈波動，顆粒之間會短暫的形成嵌合結構但隨即就會解體，C點和D點是壓力波動區的一組波峰和波谷。C點在圖中夯實板附近力鏈散亂，顆粒較為松散，無明顯的橫向貫通力鏈，處于顆粒重排的過程中。D點力鏈密集，在水平方向貫通，夯實板附近尤為明顯，可以推斷顆?；ハ嗲逗蠈е聣簩嵙^大。2.94～4.00 s屬于壓力上升區，在這一階段壓力震蕩上升，最終擬合曲線函數值達到260 N左右，在F點壓力達到最大值478 N，C點和D點是壓力波動區的一組波峰和波谷。C點力鏈明顯較少，屬于顆粒大量位移重新排列期間，顆粒間結構松散。D點力鏈密集粗壯，從夯實板出發，呈樹狀發散，顆粒之間嵌合緊密，夯實板壓力達到最高。

圖5 矸石散體夯實過程動態演化示意圖Fig.5 Schematic diagram of the dynamic evolution of the gangue bulk compaction process

3.2 矸石和夯實板受力分析

圖6為夯實機構推壓矸石時矸石顆粒力鏈示意圖。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。夯實角為3°時，力鏈橫向分布，以夯實板為起點擴張延伸至更深處的矸石，總體表現為力鏈分布偏下，集中于夯實板附近；夯實角為10°時，橫向力鏈主要分布在夯實板附近，沒有達到矸石堆深處，夯實后期力鏈整體靠上，并擴張延伸至深處；夯實角為17°時，由夯實板延伸出的力鏈影響范圍很??；夯實角為24°時，矸石途徑夯實板全部滑落到夯實機構下面，夯實板在推壓過程中未與矸石接觸，矸石受力無變化。

圖6 不同夯實角下推壓到第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

縱向力鏈來源于矸石自身的重力，橫向力鏈來源于夯實板的夯實作用，橫向力鏈的延伸范圍表示了夯實板作用力的傳播范圍。因此夯實機構推壓角度較小時其作用力的影響范圍可以蔓延至矸石堆深處，角度越小擴張越廣，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給出了不同夯實角下夯實板推力與推壓時間的關系。由圖7可知，夯實角為3°時，夯實板在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。夯實角10°時，壓力趨勢與3°時類似但整體略小。夯實角3°和10°時，夯實機構在有一定程度上杵進了已有矸石的矸石堆里，受到了較大的阻力。夯實角17°時，夯實板只推動新落下矸石，受到壓力較小。

圖7 不同夯實角下夯實板推力與推壓時間關系Fig.7 Relationship between the thrust of the tamped plateand the pressing time at different tamping angles

圖8為不同夯實角下累積破碎顆粒數量與推壓時間的關系。 由圖8可知，在夯實角為3°和10°時，小部分顆粒發生了破碎，破碎數分別是37個和9個，破碎發生在2.5～3.0 s推壓中后期。絕大多數矸石顆粒在夯實機構的夯實作用下只是發生了位移，2 m的采高產生的應力以及矸石間的摩擦力不足以對夯實機構產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作用下呈現“流動”狀態。

3.3 推壓過程及充填效果分析

矸石向左推動的程度可以近似代表矸石夯實的程度，對夯實效果定量分析。圖9給出了不同夯實角下所有矸石的質心位置與時間的關系(圖中y軸為模型中所有矸石的質心位置即所有矸石與最左邊墻體的平均距離)。由圖9可知，夯實機構抬起角度為3°時，推壓前期可達到較好的效果，不過在隨后的推壓過程中大量矸石從夯實板上方滑過，使得矸石整體質心又大幅向右移動；夯實角為17°時，夯實機構在推壓前期矸石質心分布大幅靠左，夯實板剛好能將大部分落下的矸石擋在左邊，夯實效果表現一般；夯實角為10°時，大部分矸石落在夯實板左側，能推起的矸石量比較大，夯實效果較好。

圖9 不同夯實角下矸石質心位置與時間的關系Fig.9 Relationship between the position of the center ofmass of gangue and time under different tamping angles

圖10為不同夯實角下新落下矸石與已有矸石對比示意圖。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，其中左側圖表示夯實機構推壓夯實之前的落矸情況，右側圖表示夯實機構推壓夯實過后的情況。

圖10 不同夯實角下推壓前與推壓夯實矸石穩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

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

矸石欠接頂量隨夯實角的增大而增加，由于實際上矸石自然堆積角較小，在矸石堆積斜面下側接觸到支架底部時堆積斜面上側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，該型號充填支架的夯實離頂距實際上對夯實效果影響較小。

由此可見，當夯實機構角度太小時，矸石從卸料口落下時一部分矸石會由夯實板上面落到夯實板里側，由于夯實機構是鏤空結構的，所以這些矸石不會停留在夯實機構上，而是落到夯實機構下的底板上。當夯實機構角度太高時，矸石又會從夯實板下面滾到夯實機構下方。落在夯實機構下面的矸石都會阻礙夯實機構的下一次下放，因此需要盡量防止矸石落入夯實板里側，進而夯實板起推的角度不能超過17°。

4 結 論

1) 夯實板推力隨時間增加而增大，且由于矸石顆粒不斷嵌合和重新排列而劇烈波動，夯實過程按照變化趨勢可以被分為三個階段：壓力平緩區、壓力波動區、壓力上升區。

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

3) 夯實角小于10°時，夯實機構會被落下的矸石埋??；夯實角為10°時，夯實機構即推動了新落下的矸石也對以堆積的矸石有適當的夯實，充填效果最好；夯實角為17°時，夯實板對已有矸石的擾動小，欠接頂量小；夯實角大于24°時，夯實機構接觸不到落下的矸石。