煤矿矸石充填效果受夯实角影响研究

程立朝，郭翔宇，李新旺，屈正一，李文贵

(1.河北工程大学矿业与测绘工程学院，河北 邯郸 056038；2.河北工程大学河北省高校煤炭资源开发与建设应用技术研发中心，河北 邯郸 056038；3.河北工程大学邯郸市煤基固废规模化利用技术创新中心，河北 邯郸 056038)

在我国大力推进生态文明建设的背景下，煤矿机械化矸石充填开采技术作为一项绿色开采技术被越来越多的煤矿使用[1]。充填开采可以消化地面矸石和其他固体废物、保护地下水[2]、减少地表下沉破坏、延长矿井服务年限，同时还能控制上覆岩层下沉变形，减小工作面来压，使煤炭回采更安全，沿空留巷更容易[3-4]。目前，机械化矸石固体充填工艺中的充填工序主要由工人对充填支架的操控实现，工人凭借经验操纵支架尾部的夯实机构起落和伸缩将矸石推进采空区。人工操作具有一定的随机性，会对矸石固体的空间分布和充实率造成影响，进而影响最终的充填效果。因此，开展充填工艺夯机构运动控制的研究和讨论，对提高充填效率、保证充填质量具有重要意义。

黄志敏等[5]研究了震动推压对矸石充填体充填过程的力学响应；李猛[6]研制了散体充填材料双向加载试验系统，测试了矸石充填材料瞬时压实特性和蠕变压实特性；程立朝等[7]使用实验室试验和EDEM离散元软件相结合的方法研究了不同粒径级配煤矸石材料的压实特性，获得了压实特性最佳的煤矸石粒径级配；GONG等[8-9]测试了矸石颗粒和矸石混凝土试件的力学性质，建立了FLAC-PFC耦合计算模型，分析研究了矸石充填过程对顶板的支撑效果的影响；ZHANG等[10]对矸石颗粒压缩过程中的硬化特征进行了分析；周跃进等[11]讨论了欠接顶量对充填体充实率和充填效果的影响；韩晓乐[12]使用数值模拟的方式分析了充填物料在夯实作用下的力学响应；张强等[13-16]建立了充填体和充填液压支架协同控顶力学模型，讨论了夯实力，夯实离顶距，夯实空顶距，夯实角，落料间隙距对充填效果的影响，通过优化充填支架的机械结构和夯实工艺提高了充填效果。

尽管如此，对矸石充填的夯实过程中煤矸石的细观力学响应研究很少。本文基于EDEM离散元模拟软件，使用BPM的方式模拟颗粒破碎[17]，以相同大小的刚性不破碎元颗粒作为基础，用颗粒黏结的方式构建颗粒簇。根据ZC1800/14/25型充填液压支架构建矸石充填工作面空间模型，以矸石充填工艺中的落料-夯实过程为对象，研究采高为2 m、空顶距为2倍截深的情况下夯实机构的夯实角度对夯实效果的影响，获得合理的夯实角度指导现场。

1 建立矸石颗粒模型

矸石充填体主要由破碎的矸石颗粒和少量煤炭颗粒组成，是一种非连续介质。其粒径级配、颗粒形状、材料强度、颗粒间的接触形式决定了充填体结构的稳定性和抵抗压缩的力学响应，因此矸石颗粒模型的建立关系到实验的准确性。 据测量，该矿矸石密度约为2 642 kg/m3，面心立方最密堆积空间利用率约为74%[18]，所以小球的密度参数取3 570 kg/m3。实验测得矸石与矸石的动摩擦因数0.31，矸石与钢板的动摩擦因数0.28，最终得到元颗粒基本物理参数和基本接触参数，结果见表1和表2。

表1 元颗粒基本物理参数Table 1 Basic physical parameters of meta-particles

表2 元颗粒基本接触参数Table 2 Basic contact parameters of meta-particles

本文矸石取自邢台矿，主要成分为砂岩、泥岩和少量黄铁矿夹层，矸石实物大小和形状如图1所示。采用矸石颗粒的典型形状在软件中建立可破碎颗粒簇三维模型，每个颗粒簇包含12颗元颗粒，排列方式为面心最密堆积，分为2层，每层6颗，互为交错镶嵌。颗粒形状模型如图2所示。

图1 现场采回的矸石Fig.1 Gangue recovered on site

图2 三维颗粒簇模型Fig.2 3D particle cluster model

颗粒与颗粒之间由bonding键连接，该连接键可以为颗粒之间提供一定的连接力和弹性以保持颗粒之间的位置关系，并在连接力大于某个值时消失，模拟颗粒的破碎行为，较为密集的颗粒排列可以更真实的模拟颗粒的破碎，bonding键黏结参数见表3。

表3 黏结键参数Table 3 Bonding bond parameters

2 矸石充填推压夯实实验方案

2.1 夯实角的定义

本文选取ZC1800/14/25型充填液压支架，工作阻力为3 600 kN，支架高度1 400～2 500 mm，支护强度0.6 MPa。将该支架固定到采高为2 m的工况下，支架主要通过控制三个液压杆来控制矸石的下落夯实过程，分别是尾梁液压杆、夯实液压杆和调节液压杆。尾梁液压杆主要调节刮板运输机的位置，需要落矸时，将运输机向外推，使矸石尽量落进采空区，需要推压时又能将运输机向里拉为夯实机构让出位置。夯实液压杆是夯实机构的核心动力部件，可以将夯实板顺着夯实机构抬起的方向向外推出，将矸石推进采空区。调节液压杆调节夯实机构的抬起角度即为夯实角，夯实角对夯实效果起着非常重要的作用[10]。

图3为不同条件下夯实机构可调节的角度范围。由图3可知，在调节液压杆的调节下夯实机构的夯实角变化范围为3°～34°；当运输机被尾梁液压杆推到最外侧时，伸长的夯实机构夯实角变化范围为3°～24°；当运输机被尾梁液压杆拉到最里侧时，伸长的夯实机构夯实角变化范围为3°～32°。本文实验夯实角未超过24°，因此在实验过程中无需移动运输机。

图3 不同条件下夯实角的变化范围Fig.3 Tamping angle of the ramming mechanismunder different conditions

2.2 实验过程

图4为矸石散体夯实过程模拟示意图，由图4可知，提前将已经充填完毕的矸石堆积于左侧，形成一个斜坡。使用CAD构建充填支架三维模型，导入EDEM软件中，并使矸石从落矸口处落下。同时设置旋转夯实板到指定角度，对落下的矸石进行夯实推压，观察夯实效果。选用3°、10°、17°、24°作为实验条件，夯实机构推压速度为0.3 m/s，推压4 s，行程1.2 m，实验方案详情见表4。

图4 矸石散体夯实过程模拟示意图Fig.4 Schematic diagram of simulation ofgangue bulk compaction process

表4 实验方案详情Table 4 Details of the experimental scheme

3 矸石充填推压夯实模拟结果分析

3.1 推压夯实动态演化分析

图5为当夯实角为10°时，矸石充填推压夯实过程中的夯实板推力-时间图以及关键时间点的力链截图。由图5可知，夯实板推力整体上随时间增加而增加，夯实板推力-时间曲线可拟合为2次函数(式(1))。

y=77-8.4x+13.8x2

(1)

整个夯实过程按照变化趋势可以被分为三个阶段：压力平缓区、压力波动区、压力上升区。压力在颗粒散体中并非均匀传递，而是沿着某些特定的颗粒传递的，将这些颗粒之间的力高亮显示出来即为力链。未分布在力链上的颗粒被力链上的颗粒在一定程度上架空，而受到压力较小。力链的形成说明颗粒之间相互嵌合，对作用在力链两端的压力具有较强的抵抗作用，力链的消散说明颗粒散体在压力下进行位移和重新排列。

本文选取了6个具有代表性的时间点分别记为A、B、C、D、E、F，不同时间点对应的力链截图，如图5所示。由图5可知，0～1.76 s属于压力平缓区，在这一阶段除B点前后之外夯实板推压力基本稳定于0～150 N之间。A点所示推压板附近力链较少，无左右贯通力链，所对应的推压板压力也较小。B点力链左右贯通，并且有一条明显的力链连接推压板下端和底板，可以推断颗粒与底板有较大的摩擦力一定程度上阻挡了夯实板的移动，导致了夯实板压力在B点的波峰。1.76～2.94 s属于压力波动区，在这一阶段压力剧烈波动，颗粒之间会短暂的形成嵌合结构但随即就会解体，C点和D点是压力波动区的一组波峰和波谷。C点在图中夯实板附近力链散乱，颗粒较为松散，无明显的横向贯通力链，处于颗粒重排的过程中。D点力链密集，在水平方向贯通，夯实板附近尤为明显，可以推断颗粒互相嵌合导致压实力较大。2.94～4.00 s属于压力上升区，在这一阶段压力震荡上升，最终拟合曲线函数值达到260 N左右，在F点压力达到最大值478 N，C点和D点是压力波动区的一组波峰和波谷。C点力链明显较少，属于颗粒大量位移重新排列期间，颗粒间结构松散。D点力链密集粗壮，从夯实板出发，呈树状发散，颗粒之间嵌合紧密，夯实板压力达到最高。

图5 矸石散体夯实过程动态演化示意图Fig.5 Schematic diagram of the dynamic evolution of the gangue bulk compaction process

3.2 矸石和夯实板受力分析

图6为夯实机构推压矸石时矸石颗粒力链示意图。由图6可知，矸石堆中力链形式有明显变化的是3°和10°两组。夯实角为3°时，力链横向分布，以夯实板为起点扩张延伸至更深处的矸石，总体表现为力链分布偏下，集中于夯实板附近；夯实角为10°时，横向力链主要分布在夯实板附近，没有达到矸石堆深处，夯实后期力链整体靠上，并扩张延伸至深处；夯实角为17°时，由夯实板延伸出的力链影响范围很小；夯实角为24°时，矸石途径夯实板全部滑落到夯实机构下面，夯实板在推压过程中未与矸石接触，矸石受力无变化。

图6 不同夯实角下推压到第2 s和推压到第4 s的矸石力链图Fig.6 Gangue force chain diagram of pushing down to the 2nd second and pushing down tothe 4th second at different tamping angles

纵向力链来源于矸石自身的重力，横向力链来源于夯实板的夯实作用，横向力链的延伸范围表示了夯实板作用力的传播范围。因此夯实机构推压角度较小时其作用力的影响范围可以蔓延至矸石堆深处，角度越小扩张越广，影响已有矸石的空间分布，而高角度的推压只是将新落下的矸石推上斜坡。

图7给出了不同夯实角下夯实板推力与推压时间的关系。由图7可知，夯实角为3°时，夯实板在2 s左右有一次压力提升，在2.5 s之后压力维持在2 000～3 000 N。夯实角10°时，压力趋势与3°时类似但整体略小。夯实角3°和10°时，夯实机构在有一定程度上杵进了已有矸石的矸石堆里，受到了较大的阻力。夯实角17°时，夯实板只推动新落下矸石，受到压力较小。

图7 不同夯实角下夯实板推力与推压时间关系Fig.7 Relationship between the thrust of the tamped plateand the pressing time at different tamping angles

图8为不同夯实角下累积破碎颗粒数量与推压时间的关系。 由图8可知，在夯实角为3°和10°时，小部分颗粒发生了破碎，破碎数分别是37个和9个，破碎发生在2.5～3.0 s推压中后期。绝大多数矸石颗粒在夯实机构的夯实作用下只是发生了位移，2 m的采高产生的应力以及矸石间的摩擦力不足以对夯实机构产生足够大的反作用力而压碎矸石，矸石作为一种散体在夯实作用下呈现“流动”状态。

3.3 推压过程及充填效果分析

矸石向左推动的程度可以近似代表矸石夯实的程度，对夯实效果定量分析。图9给出了不同夯实角下所有矸石的质心位置与时间的关系(图中y轴为模型中所有矸石的质心位置即所有矸石与最左边墙体的平均距离)。由图9可知，夯实机构抬起角度为3°时，推压前期可达到较好的效果，不过在随后的推压过程中大量矸石从夯实板上方滑过，使得矸石整体质心又大幅向右移动；夯实角为17°时，夯实机构在推压前期矸石质心分布大幅靠左，夯实板刚好能将大部分落下的矸石挡在左边，夯实效果表现一般；夯实角为10°时，大部分矸石落在夯实板左侧，能推起的矸石量比较大，夯实效果较好。

图9 不同夯实角下矸石质心位置与时间的关系Fig.9 Relationship between the position of the center ofmass of gangue and time under different tamping angles

图10为不同夯实角下新落下矸石与已有矸石对比示意图。由图10可知，灰色部分为本次落矸之前已有的矸石，黑色部分为新落下的矸石，其中左侧图表示夯实机构推压夯实之前的落矸情况，右侧图表示夯实机构推压夯实过后的情况。

图10 不同夯实角下推压前与推压夯实矸石稳定后新落下矸石示意图Fig.10 Schematic diagram of newly dropped gangue before pushing and after pushing andtamping the gangue at different tamping angles

夯实角为3°时，矸石下落呈一个自然的锥形，随着夯实板的前进更多的新矸石被推进了已有矸石的底部，上方的旧矸石在夯实作用下向上移动并向外溢出，夯实板附近压力较大部分矸石发生破碎，最终大量新落矸石钻进了已有矸石的底部。随着夯实机构推压角度的升高，更多的矸石落在了夯实板的外侧。夯实角为10°时，夯实板推起大量矸石向斜坡移动，但由于其角度偏小，其中大部分新落的矸石都从夯实板上方溢出；夯实角为17°时，夯实板也推起了较多的矸石，并将其推上斜坡，对已有矸石没有造成明显扰动，但是大部分新落的矸石在落矸阶段就从夯实板下方滑入夯实机构下方，不利于夯实机构的下一次推压。最终得出，夯实角为3°和24°时，夯实效果较差；夯实角为10°和17°时，效果最好。

矸石欠接顶量随夯实角的增大而增加，由于实际上矸石自然堆积角较小，在矸石堆积斜面下侧接触到支架底部时堆积斜面上侧与支架还有一段距离，采高为2 m、空顶距为2倍截深情况下，该型号充填支架的夯实离顶距实际上对夯实效果影响较小。

由此可见，当夯实机构角度太小时，矸石从卸料口落下时一部分矸石会由夯实板上面落到夯实板里侧，由于夯实机构是镂空结构的，所以这些矸石不会停留在夯实机构上，而是落到夯实机构下的底板上。当夯实机构角度太高时，矸石又会从夯实板下面滚到夯实机构下方。落在夯实机构下面的矸石都会阻碍夯实机构的下一次下放，因此需要尽量防止矸石落入夯实板里侧，进而夯实板起推的角度不能超过17°。

4 结 论

1) 夯实板推力随时间增加而增大，且由于矸石颗粒不断嵌合和重新排列而剧烈波动，夯实过程按照变化趋势可以被分为三个阶段：压力平缓区、压力波动区、压力上升区。

2) 随着夯实角的减小，夯实板的夯实作用会影响到更多的矸石，从而受到更大的阻力，部分矸石会受压破碎，角度越小，破碎越多。

3) 夯实角小于10°时，夯实机构会被落下的矸石埋住；夯实角为10°时，夯实机构即推动了新落下的矸石也对以堆积的矸石有适当的夯实，充填效果最好；夯实角为17°时，夯实板对已有矸石的扰动小，欠接顶量小；夯实角大于24°时，夯实机构接触不到落下的矸石。