肖 博，李永亮，王宇軒，王梓旭

（1．中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083；2．中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）能源與礦業(yè)學(xué)院，北京 100083）

固體充填開(kāi)采是1種以固體混合材料作為充填承壓結(jié)構(gòu)的綠色礦山開(kāi)采技術(shù)，其中的骨料多采用各種粒徑復(fù)合的矸石。矸石屬于散粒體材料，原生級(jí)配較差，孔隙率高，利用其進(jìn)行固體充填時(shí)易產(chǎn)生較大的壓縮量，導(dǎo)致充填率較低，因此需對(duì)其進(jìn)行矸石粒徑級(jí)配優(yōu)化[1-6]。在矸石級(jí)配優(yōu)化和固體充填材料配比中，對(duì)細(xì)矸（0~5 mm）的需求量較大，通常會(huì)占到矸石總用量的50%以上[7]，考慮到河沙的粒徑大小與細(xì)矸相似，可將矸石級(jí)配組合中的細(xì)矸替換成河沙，河沙含水率高于細(xì)矸，可使混合材料壓密程度更好，有望進(jìn)一步減少壓實(shí)變形量，提高充填率。在固體充填材料配比時(shí)，粉煤灰多用作輔料，且需求量較大，成本頗高，研究將西北地區(qū)廣泛存在的黃土作為充填材料的可行性，對(duì)粉煤灰進(jìn)行部分替換，達(dá)到降低固體充填采煤成本的目的[8]。

當(dāng)矸石及其混合材料進(jìn)入采空區(qū)成為充填體時(shí)，水平方向由于受到圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)極強(qiáng)的約束作用，幾乎不發(fā)生變形，垂直方向在上覆巖層的重力作用下，變形較為明顯。因此，在側(cè)限近似完全約束且僅有垂直應(yīng)力作用下，矸石充填體的壓實(shí)變形特性在固體充填采煤實(shí)踐中受到更多的關(guān)注[9-10]；反之，充填材料的壓實(shí)力學(xué)特性也與其對(duì)上覆巖層的支撐效果密切相關(guān)。壓實(shí)特性試驗(yàn)是評(píng)價(jià)材料壓實(shí)變形量及壓密程度的基礎(chǔ)試驗(yàn)，為此，將以材料壓實(shí)變形量、破碎粒徑變化程度及模擬試驗(yàn)中充填效果為評(píng)價(jià)指標(biāo)，應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)、理論計(jì)算和微觀(guān)機(jī)理分析等研究方法對(duì)矸石基固體混合充填材料的壓實(shí)特性展開(kāi)研究，優(yōu)化矸石粒徑級(jí)配和變形量，研發(fā)新型固體充填材料，提高充填開(kāi)采效率。

1 試驗(yàn)設(shè)備及材料

試驗(yàn)選用YAD-2000微機(jī)控制電液伺服壓力機(jī)，最大載荷為2 000 kN。為便于裝卸試驗(yàn)材料，根據(jù)內(nèi)徑與散料最大粒徑之比不小于5∶1的原則，設(shè)計(jì)了2款壓實(shí)鋼筒。大筒內(nèi)徑260 mm，最大裝料高度300 mm，適用于最大粒徑D=50 mm和D=40 mm的壓實(shí)試驗(yàn)；小筒內(nèi)徑150 mm，最大裝料高度260 mm。適用于最大粒徑D=30、20、15 mm的壓實(shí)試驗(yàn)。加載裝置如圖1。

圖1 試驗(yàn)加載裝置Fig.1 Test loading device

矸石取自某煤礦工作面，使用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)分級(jí)篩篩選出大于50 mm的矸石后，將50 mm之內(nèi)的矸石通過(guò)40、30、20、15、10、5 mm等6個(gè)次級(jí)分級(jí)篩進(jìn)行粒徑分組；粉煤灰是煤粉經(jīng)高溫燃燒后形成的似火山灰質(zhì)的混合材料，取自煤礦電廠(chǎng)，不做加水處理，保持粉煤灰的自然含水率；高原黃土取自煤礦附近土場(chǎng)，將塊狀黃土破碎至細(xì)小顆粒；河沙為建材市場(chǎng)購(gòu)置，自然含水率較高。各種材料如圖2。

圖2 試驗(yàn)材料Fig.2 Test materials

開(kāi)始裝料時(shí)，先將筒身搭放在底座上，將混合均勻的散體材料，分4次倒入鋼筒內(nèi)，每裝料1次，用活塞對(duì)其進(jìn)行表面平整；裝料完成后，將活塞放入筒內(nèi)，然后將側(cè)限鋼筒放在壓力機(jī)上進(jìn)行壓縮試驗(yàn)，試驗(yàn)采用控制速率的加載方式，速率為0.5 kN/s，初始試驗(yàn)力為1 kN，結(jié)合實(shí)際工作面的埋深和上覆巖層的平均密度，確定試驗(yàn)應(yīng)力結(jié)束條件為10 MPa。

2 矸石粒徑級(jí)配優(yōu)化試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)方案

通過(guò)連續(xù)級(jí)配曲線(xiàn)計(jì)算各粒徑范圍矸石量，根據(jù)計(jì)算所得數(shù)據(jù)配制的矸石即為連續(xù)級(jí)配矸石?？筛鶕?jù)泰波理論直接進(jìn)行連續(xù)級(jí)配設(shè)計(jì)，泰波理論計(jì)算公式為[11]：

式中：P為散體各粒徑的通過(guò)百分率，%；d為散體中的各粒徑，mm；D為散體的最大粒徑，mm；n為級(jí)配系數(shù)。

級(jí)配優(yōu)化試驗(yàn)設(shè)置了最大粒徑分別為50、40、30、20、15 mm 5個(gè)試驗(yàn)組，每個(gè)試驗(yàn)組內(nèi)按級(jí)配系數(shù)n=0.3、0.4、0.5、0.6、0.7分別計(jì)算出各粒徑范圍內(nèi)的矸石通過(guò)率，最大粒徑和級(jí)配系數(shù)交互影響下的粒徑通過(guò)率見(jiàn)表1，因此，D和n為影響試驗(yàn)結(jié)果的2個(gè)主要因素。

表1 最大粒徑和級(jí)配系數(shù)交互影響下的粒徑通過(guò)率Table 1 The particle size pass rate under the interaction of maximum particle size and gradation coefficient

2.2 最大粒徑和級(jí)配系數(shù)對(duì)壓實(shí)變形的交互影響D和n對(duì)壓實(shí)變形的影響如圖3。

由圖3（a）可以看出，最大粒徑D越小，應(yīng)變的離散程度越小，即級(jí)配系數(shù)n對(duì)壓實(shí)變形的影響程度越小。應(yīng)變?chǔ)烹S最大粒徑D變化規(guī)律為先增大再減小然后保持增大，D=20 mm是變化過(guò)程中的1個(gè)極大值點(diǎn)，最大變形均出現(xiàn)在D=50 mm的試驗(yàn)組中。n在0.4~0.7范圍內(nèi)變化時(shí)，D=15 mm和D=30 mm 2種情況的應(yīng)變大小較為接近，但是D=15 mm試驗(yàn)組內(nèi)的粒徑結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，骨架支撐能力較弱，而且最小應(yīng)變出現(xiàn)D=30 mm的試驗(yàn)組中。

圖3 D和n對(duì)壓實(shí)變形的影響Fig.3 Effect of D and n on compaction deformation

由圖3（b）可以看出，n=0.4時(shí)應(yīng)變的離散程度最小，說(shuō)明此時(shí)壓實(shí)變形受最大粒徑D的影響程度最弱。具體來(lái)看：D=15、20、50 mm 3個(gè)試驗(yàn)組內(nèi)的應(yīng)變?chǔ)烹S級(jí)配系數(shù)n的增大呈現(xiàn)出先減小后增大的變化規(guī)律，n=0.4為變化過(guò)程中的最小值點(diǎn)；D=40 mm試驗(yàn)組內(nèi)的ε隨n的增大而持續(xù)增大；D=30 mm時(shí)，ε在n=0.3~0.6范圍內(nèi)保持增大，n=0.7時(shí)的ε略有降低，而且n=0.3時(shí)的應(yīng)變?cè)谒屑?jí)配系數(shù)組中是最小的。

綜上，級(jí)配組合D=30 mm，n=0.3的壓實(shí)效果最好，按此級(jí)配選用矸石作為固體充填骨料可最大程度提升充填效果[12-13]。

3 矸石-河沙壓實(shí)變形特性試驗(yàn)

進(jìn)一步分析表1中各粒徑的矸石通過(guò)率可以得出，最大粒徑D和級(jí)配系數(shù)n越小，細(xì)矸（0~5 mm）用量越大?？紤]到D和n對(duì)壓實(shí)變形的交互影響，宜選用中等程度的最大粒徑和較低水平的級(jí)配系數(shù)作為矸石骨料的級(jí)配組合，因此，在固體充填材料配比過(guò)程中，對(duì)細(xì)矸的需求量頗大。鑒于河沙粒度與細(xì)矸相似，擬采用天然形成的河沙替換細(xì)矸。

3.1 微觀(guān)結(jié)構(gòu)

用電鏡掃描矸石和河沙的局部微觀(guān)形貌，得到的矸石與河沙的SEM圖片如圖4。

圖4 矸石與河沙的SEM圖片F(xiàn)ig.4 SEM pictures of gangue and river sand

由圖4（a）～圖4（b）可以看出，在500倍數(shù)下，矸石和河沙二者顆粒形態(tài)相似，都具有不規(guī)則顆粒表面，粒度大小不一；孔隙發(fā)育方面，矸石細(xì)小顆粒填充粗顆粒，但存在變形空間，可壓縮性大；河沙顆粒之間空隙少，且疏水透氣性能好，易與其它物料混合。由圖4（c）～圖4（d）可以看出，5 000倍數(shù)下：河沙內(nèi)部具有更多的球狀顆粒，說(shuō)明其顆粒間的摩擦阻力較小，孔隙易被填充，更為致密堅(jiān)硬[14]。

3.2 試驗(yàn)方案

由矸石級(jí)配優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果可以得出，不同最大粒徑試驗(yàn)組中的最小變形級(jí)配組合分別為：①I(mǎi)1：D=15 mm，n=0.4；②I2：D=20 mm，n=0.4；③I3：D=30 mm，n=0.3；④I4：D=40 mm，n=0.3；⑤I5：D=50 mm，n=0.4。將上述5種級(jí)配組合中的0~5 mm矸石替換成河沙，再次進(jìn)行單軸側(cè)限壓縮試驗(yàn)，通過(guò)比較2、4、10 MPa時(shí)壓實(shí)變形情況，分析河沙替換細(xì)矸的可行性。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

細(xì)矸-河沙變形情況對(duì)比如圖5。

圖5 細(xì)矸-河沙變形情況對(duì)比Fig.5 Comparison of deformation between fine gangue and river sand

河沙替換細(xì)矸情況下，在應(yīng)力分別等于2、4、10 MPa時(shí)，矸石-河沙混合材料的整體變形量更小，壓密程度更大。應(yīng)變?chǔ)烹S最大粒徑D的變化規(guī)律與純矸石情況下的ε隨D的變化規(guī)律一致，最小值點(diǎn)仍為D=30 mm。在這5種優(yōu)化級(jí)配組合中，級(jí)配系數(shù)n=0.3的最終變形比n=0.4的更??；σ=2 MPa時(shí)，河沙最小應(yīng)變值為0.077，相較于細(xì)矸下降了28.0%；σ=4 MPa時(shí)，最小應(yīng)變值為0.102，下降25.5%；σ=10 MPa時(shí)，最小應(yīng)變值為0.146，下降16.1%。

河沙壓實(shí)體脫離鋼筒后，相對(duì)較高的自然含水率導(dǎo)致其具有較好的固結(jié)特性，通常能保持圓柱體形態(tài)，受到二次擾動(dòng)后，才會(huì)變得松散；細(xì)矸壓實(shí)體在脫離鋼筒后即呈散體狀態(tài)，無(wú)此特性。說(shuō)明此時(shí)級(jí)配結(jié)構(gòu)更為合理，壓實(shí)體強(qiáng)度更大。綜上，在矸石級(jí)配優(yōu)化和固體充填材料配比過(guò)程中，采用河沙對(duì)細(xì)矸進(jìn)行替換，可進(jìn)一步提高固體開(kāi)采的充填率。

4 固體混合材料壓實(shí)試驗(yàn)

在固體充填材料配比過(guò)程中，由于矸石粒徑相對(duì)較大，多用做混合材料中的骨架結(jié)構(gòu)。為填充矸石大小粒徑之間的空隙，需以最佳級(jí)配組合（D=30 mm，n=0.3）的矸石骨料為基礎(chǔ)，混合粉煤灰、黃土等粉末狀材料，進(jìn)一步減小材料混合體在充填過(guò)程中的壓縮變形[15]。

4.1 試驗(yàn)材料性質(zhì)

分別用電鏡掃描粉煤灰、黃土以及土灰比等于2∶3、1∶1和3∶2等5種材料的局部微觀(guān)形貌。粉煤灰與黃土的SEM圖片如圖6。

圖6 粉煤灰與黃土的SEM圖片F(xiàn)ig.6 SEM pictures of fly ash and losses

由圖6（a）可知，粉煤灰的微觀(guān)結(jié)構(gòu)呈分散獨(dú)立的小球狀，表面粗糙并附有晶體小顆粒，顆粒間的摩擦接近于滾動(dòng)摩擦，黏結(jié)性較差，受到擠壓時(shí)易發(fā)生橫向變形。由圖6（b）可知，黃土的微觀(guān)結(jié)構(gòu)為不規(guī)則塊狀團(tuán)聚體，顆粒磨圓度較差，相互擠壓拼接，黏結(jié)性較強(qiáng)，但由于孔隙多且連通性高，導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)松散，抗壓縮性能較粉煤灰更弱[16-17]。二者顆粒細(xì)度較好，均適合作為固體充填材料中的輔料，減少骨料間顆?？障叮黾踊旌喜牧系闹旅艹潭?。

為提高輔料的抗壓縮性能，增強(qiáng)黏結(jié)性，考慮將黃土和粉煤灰按照一定比例混合。分析可知，粉煤灰較小的球狀顆粒填充進(jìn)黃土較為發(fā)育的孔隙中，減小了土體中的孔隙體積。反之，黃土的不規(guī)則結(jié)構(gòu)也能夠降低粉煤灰顆粒間的滾動(dòng)摩擦效果，有利于改善二者之間的黏結(jié)程度和抗變形能力。黃土含量越大，結(jié)構(gòu)間的孔隙越大，粉煤灰含量越小，對(duì)孔隙的填充率越低。由圖6（c）~圖6（e）對(duì)比可知，按2∶3的比例混合時(shí)中，土灰的微觀(guān)結(jié)構(gòu)最為合理。

粉煤灰與黃土的XRD衍射圖譜如圖7，圖中θ為衍射角。由圖7可知，二者均以SiO2、Al2O3、Fe2O3和CaO等化合物為主要化學(xué)成分，且各成分含量差別不大，其中，黃土的SiO2含量略高于粉煤灰，說(shuō)明在做充填輔料時(shí)，黃土對(duì)粉煤灰有可替代性，進(jìn)而降低粉煤灰的生產(chǎn)成本。

圖7 粉煤灰與黃土的XRD衍射圖譜Fig.7 XRD diffraction spectrums of fly ash and losses

4.2 重復(fù)正交試驗(yàn)方案

為實(shí)現(xiàn)黃土對(duì)傳統(tǒng)固體充填輔料中部分粉煤灰的替代，在總結(jié)前人試驗(yàn)研究成果的基礎(chǔ)之上，采用正交試驗(yàn)法以矸石總用量A和土灰比B為主要研究對(duì)象，每個(gè)對(duì)象取3個(gè)水平，因素與水平見(jiàn)表2。試驗(yàn)組按AiBj（i，j=1，2，3）進(jìn)行編號(hào)，共計(jì)9組，取最終應(yīng)變（σ=10 MPa時(shí)）為評(píng)價(jià)指標(biāo)[18-19]。

表2 因素與水平Table 2 Factors and levels

4.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.3.1 極差分析

試驗(yàn)因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響程度可由極差分析確定。正交試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3，其中：為A、B 2個(gè)因素在同一水平中的指標(biāo)均值；R為極值，為或中的最大值與最小值之差，R值越大，該因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響程度越大；X為所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)的均值。

表3 正交試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Orthogonal test results

計(jì)算可知，RA=0.011，RB=0.009，RA＞RB。故試驗(yàn)因素A對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響程度更大，即矸石總用量對(duì)壓實(shí)變形的影響大于土灰比的影響。應(yīng)變隨單因素的變化規(guī)律如圖8。應(yīng)變隨組合因素的變化規(guī)律如圖9。

圖8 應(yīng)變隨單因素的變化規(guī)律Fig.8 Change law of strain with single factor

圖9 應(yīng)變隨組合因素的變化規(guī)律Fig.9 Change law of strain with combination factor

綜上，可得到最佳的試驗(yàn)因素組合為A2B1，即矸石總用量=65%和土灰比=2∶3的組合。因此，用作固體充填的混合材料最佳配比為矸石∶黃土∶粉煤灰=65%∶14%∶21%。

4.3.2 方差分析

為準(zhǔn)確區(qū)分試驗(yàn)結(jié)果的波動(dòng)性是由試驗(yàn)因素還是由試驗(yàn)誤差引起的，利用統(tǒng)計(jì)學(xué)雙因子方差分析模型中的F檢驗(yàn)法，對(duì)試驗(yàn)因素影響的顯著性進(jìn)行分析[18]。首先根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算出統(tǒng)計(jì)量FA和FB的觀(guān)察值，公式如下：

式中：SA、SB分別為因素A、因素B的偏差平方和；Se為誤差平方和；r為因素A的水平個(gè)數(shù)，r=3；s為因素B的水平個(gè)數(shù)，s=3；t試驗(yàn)重復(fù)次數(shù)，t=2。

可得SA=4.20×10-4，SB=2.17×10-4，Se=1.90×10-4；FA=9.93，F(xiàn)B=5.13。分析可知，試驗(yàn)誤差對(duì)試驗(yàn)結(jié)果造成的影響很小。當(dāng)顯著水平為0.05時(shí)，F(xiàn)A和FB的觀(guān)察值均遠(yuǎn)大于分布值F0.95（2，9）=4.26，說(shuō)明試驗(yàn)因素A和試驗(yàn)因素B均對(duì)試驗(yàn)結(jié)果有顯著性影響；當(dāng)顯著水平為0.01時(shí)，F(xiàn)B＜F0.99（2，9）=8.02＜FA，說(shuō)明試驗(yàn)因素A，也就是矸石總用量對(duì)壓實(shí)變形的影響是高度顯著的[20]。

4.3.3 補(bǔ)充試驗(yàn)

為進(jìn)一步明確黃土在固體充填材料配比中對(duì)粉煤灰的可替代性，補(bǔ)充矸石∶粉煤灰=65%∶35%和矸石∶黃土=65%∶35%2組試驗(yàn)與A2B1試驗(yàn)組進(jìn)行對(duì)比。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制的σ-ε和E-σ關(guān)系曲線(xiàn)如圖10。

由圖10（a）可知，3種混合材料的σ-ε曲線(xiàn)均呈指數(shù)型增長(zhǎng)。其中，矸石-粉煤灰與矸石-土灰（2∶3）的變形情況較為接近，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到結(jié)束條件10 MPa時(shí)，矸石-土灰應(yīng)變?yōu)?.135，僅比矸石-粉煤灰高出3%，說(shuō)明用60%的黃土替代粉煤灰時(shí)，材料的充填效果與全部采用粉煤灰做輔料的情況最為接近。另外，矸石-黃土的最終變形量為0.168，與矸石-粉煤灰差距較大，說(shuō)明不能采用黃土全部替代粉煤灰。

圖10 壓實(shí)特性曲線(xiàn)Fig.10 Compaction characteristic curves

由圖10（b）可知，壓實(shí)變形模量E隨著壓應(yīng)力σ的增大呈線(xiàn)性增長(zhǎng)。在E-σ關(guān)系曲線(xiàn)中，矸石-粉煤灰與矸石-土灰2種情況的變形模量較大，說(shuō)明二者的壓實(shí)變形速率較大，同種應(yīng)力條件下可以快速進(jìn)入到壓實(shí)平穩(wěn)狀態(tài)。矸石-黃土的變形模量較小，說(shuō)明其在壓實(shí)過(guò)程中變形緩慢，壓實(shí)效果較差。

5 結(jié) 語(yǔ)

1）分析了最大粒徑D和級(jí)配系數(shù)n對(duì)壓實(shí)變形ε的交互影響，ε隨D變化規(guī)律為先增大再減小然后保持增大，級(jí)配組合D=30 mm，n=0.3的壓實(shí)效果最好。

2）采用河沙替換矸石級(jí)配優(yōu)化試驗(yàn)中的細(xì)矸（0~5 mm），對(duì)比分析各種應(yīng)力時(shí)刻壓實(shí)變形量的大小關(guān)系，進(jìn)一步提高以矸石為主的骨料抗變形能力。

3）利用SEM和XRD表征粉煤灰、黃土以及不同土灰比混合材料的微觀(guān)機(jī)理，基于重復(fù)正交試驗(yàn)結(jié)果，通過(guò)極差和方差分析得出最佳矸石用量為65%，土灰比為2∶3，矸石用量對(duì)壓實(shí)變形具有高度顯著的影響。

綜上，新型固體充填材料的理想配比為65%的矸石骨料，14%的黃土和21%的粉煤灰。其中各粒徑范圍矸石的具體用量為30~20 mm（7.2%）、20~15 mm（5.2%）、15~10 mm（5.8%）、10~5 mm（9.1%）和5~0 mm（37.7%），細(xì)矸部分可采用河沙替換，此種情況下，可最大程度發(fā)揮充填材料的抗變形性能，節(jié)約煤礦開(kāi)采成本，提高固體充填率。