固体充填材料比例特征及应力特性研究

刘建功 王 英

(1.河北工程大学，河北省邯郸市，056038；2.河北煤炭科学研究院，河北省邢台市，054000；3.国家能源充填采煤技术重点实验室，河北省邢台市，054000)



固体充填材料比例特征及应力特性研究

刘建功1,3王 英2，3

(1.河北工程大学，河北省邯郸市，056038；2.河北煤炭科学研究院，河北省邢台市，054000；3.国家能源充填采煤技术重点实验室，河北省邢台市，054000)

在综合机械化固体充填采煤技术中，以地面煤矸石、粉煤灰、黄土等固体废弃物为主要充填材料，借助充填设备实现采空区充填与压实是一种行之有效的充填方法。为了更好实现固体充填的充填质量，保证充填密实，切实起到有效支撑地面的作用，本文探讨了固体充填材料的比例特征，对充填体应力特性进行试验研究，确定了煤矸石与黄土最佳配合比例，分析了未掺及掺入胶结料后固体充填体的强度及密实充填率、充填体压缩率变化情况，提出了对固体充填体进行二次注浆方法，结果表明通过此方法完全可以实现充填胶结体的连续性，保证了充填体的密实充填率。

固体充填 配比 强度 密实充填率 胶结料 二次注浆

生态环境保护对煤炭开采提出了新的要求， 绿色开采和生态保护性开采付诸实践，取得了大量开创性的成果。固体充填采煤作为生态保护性开采的一项重要技术，利用煤矸石、粉煤灰、黄土等废弃或廉价固体材料置换“三下一上”煤炭资源，解决了呆滞煤炭回收、生态环境保护与矿区可持续发展的难题，在国内许多矿区得到成功应用。

固体充填材料可采用煤矿开采中的煤矸石和电厂的粉煤灰，没有粉煤灰的煤矿也可以采用煤矸石配黄土。固体充填材料由不同粒径级别的颗粒组成，在外界压力作用下颗粒重新排列，间隙挤压密实、体积收缩，表现出明显的散体特征。各组分配比不同的固体材料充填至采空区后在上覆岩层压力作用下出现不同程度的压缩变形，充填率和强度随之发生改变。充填材料变形稳定后的体积与采出的煤炭体积之比即密实充填率，密实充填率对岩层移动变形起着决定性的控制作用，对充填效果有直接的影响。

根据采矿和地质条件，选择最佳材料配比和密实充填率，有利于控制直接顶的下沉，保护关键层和地表。本文以金家庄矿为工程背景，确定了煤矸石与黄土最佳配合比例，分析了加入胶结料后固体充填体的强度及密实充填率、充填体压缩率变化情况，提出了对固体充填体进行二次注浆方法，保证了充填体的密实充填率，有效地控制了顶板下沉，适应特殊充填开采的需要。

1 固体充填材料性质及配比试验研究

1.1 固体材料物理化学性质

在综合机械化固体充填采煤技术中，选择充填材料及其强度时，不仅要考虑矿山的安全与稳定，而且还要考虑充填成本和矿山经济效益，实现矿山在最优成本下的安全、高效、绿色及生态开采。

(1)煤矸石。在采煤过程中，煤矸石是对环境带来影响的主要排放物，是充填材料的首选。煤矸石用于充填时，破碎粒径控制在50 mm以下，松散容重为1.37 kg/m3。

(2)粉煤灰。粉煤灰是从煤燃烧后的烟气中收捕下来的细灰，是燃煤电厂排出的主要固体废物。粉煤灰是我国当前排量较大的工业废渣之一，大量的粉煤灰不加处理会产生扬尘，污染大气，将其作为固体废弃物进行井下充填是一种理想的利用途径。

(3)黄土。黄土是在第四纪干旱、半干旱的气候环境下形成的一种特殊的陆相松散堆积物，其以粉土颗粒为主要组成成分,富含碳酸钙。黄土的工程性质与其成因、时代和埋藏深度有关。近半个世纪以来, 各国学者对黄土胶结作用和结构性的研究从未间断, 黄土的胶结作用既包括聚集体内部的胶结, 又包括聚集体间的胶结, 聚集体成分、结构是黄土工程特性形成的物质基础。黄土的这种胶结作用在固体充填采煤技术中极为有益。本试验中黄土的松散容重为1.14～1.30 kg/m3，煤矸石、黄土、粉煤灰的化学成分分析见表1。

表1 原材料化学成分分析

煤矸石可以单独作为充填料直接充填，但是粘结性较差，会影响充填效果，如果加上适量的粉煤灰或黄土，相当于增加了粘结剂，充填效果会更好。当然，添加材料种类要把充填效果、当地资源状况和充填成本统一考虑，不同添加材料的配比是充填采煤技术的关键因素。

1.2 材料配比方案的确定

在邢台煤矿，充填材料是煤矸石和粉煤灰，当煤矸石与粉煤灰配比为1∶0.31时，二者体积的差值最小，表明在此配比条件下，压实力从1.5 MPa变化至7.5 MPa时，压实的变形量很小，此时的充填材料经夯实以后，岩层有效变形空间非常小，可以较好地控制采场顶板，以达到限制岩层的移动、控制地表变形的目的。

金家庄矿附近没有电厂，没有粉煤灰来源，但可采用矿区丰富的煤矸石和周边富存的黄土作为充填材料，本文针对金家庄矿的矸石和黄土配比的性能进行研究。

为了确定煤矸石、黄土配合比的最佳比例，将煤矸石、黄土按不同比例混合，加入适量水成型，利用CMT4304微机控制电子万能试验机进行试验，试模尺寸为ø100 mm×180 mm，加压强度根据实际情况确定为1.2 MPa，成型后进行养护和固结，然后对试块进行抗压强度测试。其加压成型过程如图1所示，受压破坏荷载情况见表2和图2，应力应变曲线如图3所示。

图1 煤矸石、黄土加压成型

表2 煤矸石、黄土不同掺加比例受压破坏荷载

图2 煤矸石、黄土不同配比最大破坏载荷

图3 煤矸石、黄土不同配比应力应变曲线

1.3 特征区的划分

(1)由图2可知，当煤矸石与黄土比例为3∶1时，试块的承压能力达到一定范围内的最大值，之后无论煤矸石、黄土比例继续减小或增大，试块的承压能力均出现降低，这一配比范围煤矸石的特性占主导因素，把这一区域称之为煤矸石特征区；

(2)当煤矸石与黄土比例减小至2.2∶1后，试块的极限抗压强度随着配比的继续减小而增加，这一配比范围黄土粘结力占主导因素，把这一区域称之为黄土特征区。

由于黄土是一种胶结性材料，加入适量水后可以产生很强的胶结力。以黄土作为胶结料，配合粗骨料形成的充填体，其密实程度、颗粒级配以及孔隙率对充填体的力学特性起着决定性的影响。在煤矸石、黄土固体充填技术中，煤矸石作为粗骨料，黄土作为细骨料并同时充当胶结料的作用。由于二者的特性完全不同，因此随着配合比例变化，受压破坏载荷值产生了非连续性变化，并呈现“几”字形规律。当煤矸石超过一定比例时，尽管煤矸石具有更高的硬度，但缺少胶结料的粘结作用，充填体呈现离散状态，易于破坏，承压能力弱。当黄土增多时，充填体粘结性增强，体现出良好的成型状态，但如果粗、细骨料配比不当，成型后密实程度差，同样易于破坏。而在黄土特征区，随着黄土比例逐渐增大，黄土胶结能力占主导因素，压实后的充填体密实度高，抗变形能力增强，因此具有高的抵抗破坏能力。

煤矸石是煤矿开采过程中的废弃物，充填材料应多利用煤矸石，配比方案应选择在矸石特征区；为提高充填质量，又应选择矸石特征区的抗压应力最高点，因此，选择煤矸石、黄土配比为3∶1，即利用了煤矸石的骨料特征，又发挥了黄土的粘接作用，能取得较好的充填效果。

2 充填材料应力特性强化

2.1 充填材料掺入胶结料后强度变化

固体充填开采技术充填物料密实充填对地表沉陷影响是不容忽视的一个重要因素。有效提高密实充填率是固体充填采煤技术的关键。将煤矸石与黄土混合加压成型，分别掺入专门研究的3种类型高效胶结料(I型、II型和III型)后，测量其不同龄期抗压强度以及密实充填率变化情况，结果见表3。

表3数据表明，加入不同类型胶结料后，充填材料强度出现明显的增长，1 d抗压强度从0.144 MPa增长到0.471～1.233 MPa，3 d抗压强度从0.191 MPa增长到0.793～1.200 MPa，7 d抗压强度从0.195 MPa增长到0.943～1.640 MPa，充填材料的密实充填率变化较小，维持在83%～85%。

充填体中加入胶结料后，其强度增长来源主要是胶结料。胶结料遇水发生一系列物理化学反应，其中矿物水化以后形成的晶体物质相互交错，聚结在一起从而使整个物料凝结并硬化。胶结料水化初期形成许多晶体包裹在颗粒表面，连成空间网状结构，随着水化反应进行，颗粒表面的包裹层水化反应加速，从饱和的溶液中析出新的、更稳定的水化物晶体，这些晶体不断长大，依靠多种引力使彼此粘结在一起形成紧密的结构，不断充满在结构的空间中，因此充填体形成比较高的强度。

表3 加入胶结料后不同龄期抗压强度

2.2 二次加压后固体充填材料的特性

固体充填材料经过一次加压成型，其密实充填率可以达到83%～85%左右，为了验证其耐压情况，试验采用加压1.2 MPa后重复进行二次加压，观察其耐压变形情况。试验一次加压1.2 MPa，二次加压分别为1.2 MPa、1.5 MPa、1.8 MPa。试验结果见表4，受压变形情况如图4所示。

表4 固体充填材料二次加压后压缩率对比

根据以上试验说明，对材料一次加压成型后，重复进行二次加压，其耐压性能良好，压缩率控制在2.14 %以下(在实验室理想状态下，充填体完全受限，此情况与现场实际应用略有出入)，在充填开采要求不高的情况下，对固体材料进行一次加压成型完全可以满足充填要求，充填开采要求较高的情况下，可以通过采用二次注浆，提高充填体密实充填率。

2.3 二次注浆后固体充填材料的特性

充填体对上覆岩层运动的抑制程度由充填体的致密性决定，为了进一步提高充填体密实充填率，改变充填体特性，实现充填材料的连续性，采用对充填体进行注浆试验。二次注浆试验过程及注浆后充填体形态如图5所示。

图4 固体充填材料二次加压后受压情况

图5 二次注浆试验

二次注浆后充填体密实充填率变化情况见表5。

表5 二次注浆后充填体密实充填率变化情况

综合5种方案比较，二次注浆均使得充填体的密实充填率有所提高，当煤矸石与黄土配比为2∶1、2.5∶1、2.8∶1、3∶1和3.2∶1时，二次注浆后密实充填率分别提高到91.5%、92.9%、94.7%、97.1%、和94.5%，其中配比为3∶1时，密实充填率提高最明显。考虑到煤矸石、黄土粘结性、二次注浆渗透性、密实充填率以及注浆成本等综合指标，最终确定最佳方案为煤矸石与黄土比例为3∶1。

3 结论

(1)通过不同试验数据分析，混合固体充填材料根据材料的本身特性，按照配比形成不同特征区，非常直接地影响充填效果，如采用煤矸石、黄土材料时，试验研究得出“几”字形特征曲线，可用来指导现场充填配比的选择。

(2)加入高效胶结料后，固体充填材料的强度大幅度增长，并且随着掺入量的提高，强度增长更为迅速，在充填要求较高的情况下，可在充填时加入适量胶结料，提高其初期抗压强度，利于顶板保护。

(3)充填材料通过加压成型，保证其充填的均匀性及密实充填率，其压缩率较小，承压能力强，可有效支撑顶板，防止地表变形，避免塌陷。

(4)对固体充填体进行二次注浆补偿，可以实现充填材料的连续性，有效提高了充填体的充填率。

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(责任编辑 郭东芝)

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

河北省重大技术创新资助项目(11276722Z)

刘建功，王英. 固体充填材料比例特征及应力特性研究[J]. 中国煤炭，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

刘建功(1956-)，男，山东沾化人，博士，教授级高工，博士生导师，从事煤矿充填开采、保护水资源开采、自动化控制、机械装备和生态矿山建设等方面研究工作。