鐘 凱，雷薪雍，宋英明

(1.榆林職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 榆林 719000； 2.榆林泰發(fā)祥礦業(yè)有限公司，陜西 榆林 719000)

在支持社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)，煤炭資源的持續(xù)大規(guī)模開采造成了許多問(wèn)題，例如礦區(qū)的生態(tài)破壞和資源的加速枯竭。①煤礦產(chǎn)生大量的固體廢棄物(煤矸石)，其排放量占煤炭產(chǎn)量的10%～15%[1]。一般的處理方法是將煤矸石排放并堆積在煤矸石堆場(chǎng)的表面。煤矸石堆不僅占用土地資源，而且污染空氣和地下水。②高強(qiáng)度的煤炭開采往往會(huì)引發(fā)一系列的地質(zhì)環(huán)境災(zāi)害。采用崩落法處理采空區(qū)，頂板失去了下部煤層的支撐，上覆壓力的作用不斷向地層過(guò)渡發(fā)展，引起地面沉降，造成水土流失、地面沉降、建筑物倒塌等問(wèn)題。在陡峭煤層中進(jìn)行回填開采仍然存在許多問(wèn)題，回填并不經(jīng)濟(jì)。與緩傾斜煤層和扁平煤層的膠結(jié)膏體充填或固體廢棄物充填不同，常用的充填采礦方法包括準(zhǔn)傾斜工作面走向長(zhǎng)壁充填采礦法、開采區(qū)長(zhǎng)壁傾角充填采礦法和倒臺(tái)階工作面充填采礦法。煤矸石充填材料被放置在自動(dòng)運(yùn)動(dòng)的急傾斜煤層的地下礦井中。本文對(duì)煤礦的矸石充填技術(shù)進(jìn)行了研究[2]。針對(duì)煤矸石充填實(shí)踐中出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究了煤矸石的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和充填特性，并根據(jù)模擬結(jié)果對(duì)充填采礦方案進(jìn)行了優(yōu)化。

1 回填技術(shù)

充填采煤技術(shù)被用來(lái)控制地層和地表沉陷?；靥畈傻V技術(shù)可以有效提高回收率和礦山安全。回填采礦在保護(hù)環(huán)境方面很重要。我國(guó)已提出3種采用固體、膠結(jié)和高含水充填材料的充填采礦方法，并得到了中央和地方政府的大力支持。例如，《煤炭工業(yè)發(fā)展第十三個(gè)五年規(guī)劃》明確指出，國(guó)家應(yīng)推進(jìn)煤炭綠色開采，加強(qiáng)礦區(qū)環(huán)境管理[3]。

固體充填采礦法作為一種充填采礦方法，主要是利用機(jī)械方法進(jìn)行煤炭開采，并將煤矸石、粉煤灰、黃土、風(fēng)積沙等固體充填材料或其混合物通過(guò)運(yùn)輸系統(tǒng)運(yùn)輸?shù)降叵耓4]。這些材料可以通過(guò)膠帶輸送機(jī)運(yùn)送到回填采礦面。對(duì)于采空區(qū)回填，全機(jī)械化回填采礦的關(guān)鍵設(shè)備，如液壓支架和多孔底部卸載輸送機(jī)被有效地使用。結(jié)合壓實(shí)系統(tǒng)，材料被壓實(shí)到工作面頂部，如圖1所示。

圖1 矸石充填開采上覆巖層模型Fig.1 Overlying strata model of gangue filling mining

回填開采的額外費(fèi)用主要包括建筑工程費(fèi)用(包括土木工程費(fèi)和回填系統(tǒng)工程費(fèi))、設(shè)備采購(gòu)費(fèi)用(包括回填設(shè)備采購(gòu)費(fèi)和回填設(shè)備采購(gòu)費(fèi))、安裝工程費(fèi)用(包括回填系統(tǒng)安裝費(fèi)和回填設(shè)備安裝費(fèi))和生產(chǎn)費(fèi)用(主要包括回填材料費(fèi)、回填人工費(fèi))。與洞穴開采法相比，每噸煤的成本通常增加30～100元[5]。

2 回填材料的類型和回填處理

2.1 回填物料的種類

充填材料是充填采礦法的重要組成部分，其類型和性質(zhì)決定了充填采礦法的工藝過(guò)程。充填材料主要有3種類型：顆粒充填材料、膠結(jié)充填材料和高含水量充填材料[6]。這3種充填材料的輸送性能和承載性能取決于骨料的比例、膠凝劑的種類和所用的添加劑。

2.2 煤矸石回填材料

按照混合料設(shè)計(jì)，用一種或多種具有不同粒徑的固體材料混合和制備粒狀回填材料。充填體顆粒不膠結(jié)，具有孔隙和透水透氣性。常見的顆粒狀回填材料有矸石、粉煤灰、露天礦渣、黃土和風(fēng)積沙。以煤矸石為例，通過(guò)對(duì)固體回填材料礦物組成和化學(xué)成分的分析，認(rèn)為煤矸石主要由石英、高嶺石、伊利石等礦物組成，對(duì)提高固體回填材料的承載能力具有重要作用。通過(guò)對(duì)煤矸石細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征的分析，發(fā)現(xiàn)煤矸石顆粒致密，表面凹凸不平，但不含大孔隙、裂隙或片狀分布的細(xì)顆粒[7]。煤矸石的礦物組成和細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征如圖2所示。

圖2 煤矸石的礦物組成和細(xì)觀結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Mineral composition and microstructure of coal gangue

2.3 材料的配置

巖膠結(jié)煤矸石粉煤灰回填(CGFB)雙材料的特性決定了開采對(duì)控制煤礦地表沉降的影響，利用巖膠結(jié)煤矸石粉煤灰回填的創(chuàng)新技術(shù)提升對(duì)于地表的保護(hù)和工作面的支撐作用[8]。為了研究不同煤矸石粒徑的CGFB雙材料的性能，采用的煤矸石粒徑分別為0～5、5～10、10～15 mm。根據(jù)以往的調(diào)查，水泥、粉煤灰、煤矸石的質(zhì)量比為1∶4∶6，固體材料占CGFB總質(zhì)量的78%。為方便起見，粗砂巖和CGFB在標(biāo)準(zhǔn)復(fù)合樣品中的相同高度為50 mm(φ50 mm×100 mm)。煤矸石填充材料成分的組成如圖3所示。

粗砂巖CGFB復(fù)合樣品的制備過(guò)程描述如下。使用直徑50 mm的圓柱形樣品全自動(dòng)鉆孔取心機(jī)QS-2型鋸石機(jī)[9]，對(duì)圓柱形樣品進(jìn)行了分析。為了得到φ50 mm×50 mm試塊，粗砂巖兩端樣品被修剪平整和光滑。使用LM-200立式石材研磨機(jī)提供光滑的表面(如兩端不平行性小于0.01 mm，兩端直徑偏差為±0.02 mm)。

圖3 煤矸石填充材料成分的組成示意Fig.3 Composition of coal gangue filling materials

粗砂巖樣本采用φ50 mm×50 mm的復(fù)合材料制備了復(fù)合材料試樣。將每個(gè)粗砂巖樣品放入模具中51 mm×50 mm的混合攪拌流化床反應(yīng)器，研究了攪拌速度對(duì)反應(yīng)器性能的影響，結(jié)果表明：攪拌速度對(duì)反應(yīng)器性能影響很大，直接澆注不同粒徑的煤矸石復(fù)合樣本，從模具中取出后，在溫度為(20±2) ℃、濕度為80%的硫化箱中硫化28 d[10]。CGFB樣品采用LM-200修剪混合樣品立式石材研磨機(jī)，以滿足實(shí)驗(yàn)要求，其兩側(cè)用機(jī)械砂紙打磨細(xì)金剛砂紙，使其直徑達(dá)到50 mm，制備的巖膠結(jié)煤矸石復(fù)合樣品如圖4所示。

圖4 3組巖膠結(jié)煤矸石復(fù)合樣品Fig.4 Three groups of rock cemented coal gangue composite samples

根據(jù)與煤矸石復(fù)合樣品的對(duì)應(yīng)關(guān)系，制備3組樣品，粒徑分別為0～5、5～10、10～15 mm。

3 實(shí)驗(yàn)環(huán)境介紹

3.1 實(shí)驗(yàn)儀器組成

測(cè)試系統(tǒng)中，有加載裝置組成的聲發(fā)射監(jiān)控系統(tǒng)和數(shù)碼攝像機(jī)，在每個(gè)測(cè)試中使用相同的時(shí)間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，如圖5所示。

1個(gè) AG-X250伺服控制的測(cè)試系統(tǒng)，作為裝載系統(tǒng)，用來(lái)執(zhí)行粗砂巖單軸壓縮試驗(yàn)和研究不同粒徑煤矸石的復(fù)合試樣。

工作時(shí)采用雙螺桿加載結(jié)構(gòu)，因此，這個(gè)測(cè)試系統(tǒng)可以執(zhí)行傳統(tǒng)的壓縮、拉伸實(shí)驗(yàn)或任何其他機(jī)械的最高測(cè)試負(fù)荷(測(cè)試系統(tǒng)達(dá)到250 kN)實(shí)驗(yàn)[11]。

本文研究了巖石的破裂和失效擴(kuò)展過(guò)程，在單軸加載條件下對(duì)復(fù)合材料試樣進(jìn)行監(jiān)測(cè)，使用1個(gè)PCI-2聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)便攜式數(shù)碼相機(jī)、主放大器，聲發(fā)射監(jiān)測(cè)的閾值和浮動(dòng)閾值系統(tǒng)分別為40、45 dB，探針為r3，其諧振頻率和采樣頻率分別為20～100、106 kHz。

傳感器使用膠帶固定在粗糙砂巖的表面，采用凡士林改善傳感器和樣品表面耦合條件。通過(guò)壓縮煤矸石得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)儀器如圖6所示。

3.2 煤矸石實(shí)驗(yàn)應(yīng)用結(jié)果分析

粗砂巖—含不同煤矸石顆粒復(fù)合試樣宏觀破壞的典型圖像如圖7所示。

在圖7中，復(fù)合試樣的破壞主要發(fā)生在 CGFB 內(nèi)，沒(méi)有觀察到粗砂巖發(fā)生破裂或破壞的證據(jù)。說(shuō)明了復(fù)合材料試樣的失效和不穩(wěn)定性決定了復(fù)合材料試樣的整體不穩(wěn)定性。破壞特征反映了表面剝落破壞的強(qiáng)度特性。因此，復(fù)合材料的整體強(qiáng)度隨著顆粒粒徑的增大，顆粒的破碎程度普遍增大。

樣品的強(qiáng)度主要取決于其中 CGFB 的強(qiáng)度。失效后，復(fù)合材料試樣中的CGFB清楚地顯示出煤矸石接觸之間的裂紋，說(shuō)明煤矸石這些碎片有不同的尺寸，經(jīng)歷了分裂失敗。同時(shí)，分析了復(fù)合材料試件的破壞特征，表面剝落破壞區(qū)在失效后的碎片中進(jìn)行了重新的質(zhì)量分布。因此，復(fù)合樣品中的CGFB含量達(dá)到了25%。對(duì)碎片質(zhì)量進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)和研究發(fā)現(xiàn)，分裂破壞伴隨著局部不同程度的分布，分為4組：0～5、5～10、10～15、>15 mm。<5 mm 的煤矸石碎片用相應(yīng)孔徑的篩子篩選；對(duì)于厚度>5 mm 的煤矸石碎片，首先用卡尺測(cè)量其大小，然后稱重。最后對(duì)每個(gè)分布中的碎片分別進(jìn)行權(quán)重計(jì)算，然后采用平均值法進(jìn)行處理。最終得出了在CGFB中，煤矸石的含量達(dá)到34.1%時(shí)，能夠較好地滿足填充要求，有效提升了開采效率。

圖5 煤矸石復(fù)合樣品測(cè)試系統(tǒng)示意Fig.5 Coal gangue composite sample testing system

圖6 壓縮煤矸石實(shí)驗(yàn)儀器示意Fig.6 Experimental equipment for compressing coal gangue

4 煤矸石填充過(guò)程分析

模擬結(jié)果表明，采空區(qū)煤矸石充填形態(tài)隨工作面開采而不斷變化。根據(jù)充填形態(tài)的變化，煤矸石充填過(guò)程可分為滑坡期、小規(guī)模沉降期、漏斗形沉降期和大規(guī)模沉降期。

4.1 煤矸石填充階段

4.1.1 滑坡期

在工作面開采初期，由于傾角小于煤矸石的休

圖7 3組巖膠結(jié)煤矸石復(fù)合樣品實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.7 Experimental results of three groups of rock cemented coal gangue composite sample

止角，煤矸石不能在下方回填。采空區(qū)矸石回填量較低，主要集中在工作面上方，如圖8所示。煤層開采后，工作面上方的煤矸石位移較大，工作面上方的煤矸石向采煤邊坡滑移。這一階段被稱為滑坡階段。

4.1.2 煤矸石小規(guī)模沉降階段

工作面向前推進(jìn)60 m后，煤矸石幾乎可以充分

圖8 滑坡期采空區(qū)矸石運(yùn)動(dòng)規(guī)律示意Fig.8 Movement law of gangue in the goaf during the landslide period

充填采空區(qū)。不同開采階段回填煤矸石具有明顯的分層性，呈弧形，左高右低。通過(guò)對(duì)煤矸石位移分布的分析，發(fā)現(xiàn)工作面附近的煤矸石位移最大，遠(yuǎn)離工作面的煤矸石位移最小。在運(yùn)煤的斜坡上有一個(gè)煤矸石斷面幾乎一動(dòng)不動(dòng)。

在這一階段，充填巷道中出現(xiàn)了一個(gè)小型煤矸石沉陷坑。地表塌陷深度從左到右逐漸增加，在工作面上部附近塌陷最為明顯。采空區(qū)內(nèi)煤矸石的下沉運(yùn)動(dòng)與地表下沉運(yùn)動(dòng)相似，屬于小規(guī)模沉降階段。

4.1.3 漏斗狀沉降階段

1號(hào)開采區(qū)與2號(hào)開采區(qū)聯(lián)合開采時(shí)，工作面傾斜長(zhǎng)度由80 m增加到140 m。煤矸石直接來(lái)自1號(hào)開采區(qū)，用于充填2號(hào)開采區(qū)的采空區(qū)。然而，由于工作面布置的影響，只有一小部分煤矸石進(jìn)入2號(hào)開采區(qū)的采空區(qū)。通過(guò)分析結(jié)果表明，在自重作用下，煤矸石的接觸力從淺部向深部逐漸增大，在1號(hào)和2號(hào)開采區(qū)連接處達(dá)到最大值，如圖9所示。

圖9 漏斗狀沉降階段煤矸石運(yùn)動(dòng)狀態(tài)Fig.9 Coal gangue movement state in the funnel-shaped settlement stage

在高擠壓力和連接部位移動(dòng)空間狹窄的約束下，煤矸石形成自穩(wěn)定承重拱，阻礙上部煤矸石充填下部采空區(qū)。工作面推進(jìn)100 m后，1號(hào)、2號(hào)連通間距寬度增大，連通間距縮小，形成2條長(zhǎng)10～20 m的開采區(qū)。前期形成的自穩(wěn)定承重拱受到破壞，使2號(hào)開采區(qū)采空區(qū)充填矸石較多。與小尺度下沉階段不同，1號(hào)開采區(qū)中部煤矸石的位移大于兩側(cè)煤矸石的位移，運(yùn)煤坡面上的煤矸石仍保持靜止。煤矸石充填體的充填過(guò)程和位移分布類似于傾斜的漏斗，因此這一階段被稱為漏斗狀沉降階段。

4.1.4 大規(guī)模沉降階段

當(dāng)2號(hào)采空區(qū)充滿矸石時(shí)，回填矸石的移動(dòng)呈現(xiàn)為V形，回填巷道下沉坑比以前3個(gè)階段都大。有2個(gè)扇形區(qū)域的矸石靜止不動(dòng)，如圖10所示。 該階段被命名為大規(guī)模沉降階段。

圖10 煤矸石回填過(guò)程的位移Fig.10 Displacement of coal gangue backfilling process

4.2 煤矸石移動(dòng)時(shí)間

工作面向前推進(jìn)后，采空區(qū)內(nèi)的煤矸石緩慢移動(dòng)。煤矸石的運(yùn)移自始至終會(huì)持續(xù)一段時(shí)間，充填巷道沉陷坑的形成滯后于采礦作業(yè)。因此，研究煤矸石運(yùn)動(dòng)時(shí)間隨工作面開采的變化規(guī)律，對(duì)優(yōu)化開采與充填作業(yè)的協(xié)調(diào)具有指導(dǎo)意義。

研究了2種條件下煤矸石的運(yùn)動(dòng)時(shí)間。①煤矸石運(yùn)動(dòng)時(shí)間隨工作面傾斜長(zhǎng)度的變化，即分析比較煤矸石在不同開采階段的運(yùn)動(dòng)時(shí)間；②煤矸石運(yùn)動(dòng)時(shí)間隨采深的變化，即分析了在一個(gè)開采階段下首采煤矸石向工作面上首采過(guò)程中運(yùn)動(dòng)時(shí)間的變化。

5 工程應(yīng)用

通過(guò)對(duì)煤矸石移動(dòng)規(guī)律的數(shù)值模擬分析得知，不同的開采方式對(duì)礦井地質(zhì)條件下的覆巖內(nèi)部移動(dòng)規(guī)律有著較大的影響，具體表現(xiàn)在以下幾方面。

(1)按照全部冒落法開采后，靠近開采煤層上部巖層出現(xiàn)了明顯破壞，垂向位移大、變形集中，呈現(xiàn)出明顯的冒落帶特征，遠(yuǎn)離開采區(qū)域覆巖的位移變化逐漸平緩，距離越大位移變化越平緩。

(2)分析煤矸石充填開采數(shù)值模擬結(jié)果認(rèn)為，煤采用煤矸石充填開采后，靠近開采煤層的上覆巖層變形平緩度明顯好于全采，表明矸石充填開采對(duì)于控制覆巖冒落帶的發(fā)展高度是十分有利的。

(3)按照設(shè)計(jì)的條帶采留寬度，采用條帶矸石充填開采后，通過(guò)與冒落全采、矸石充填開采的位移云圖對(duì)比、分析，條帶矸石充填開采煤層上方的垂向和水平位移變化均十分平緩，表明保留煤柱的支撐效果明顯，開采煤層上方的巖層在保留煤柱和充填矸石的共同支撐下，保持了完整的狀態(tài)，未出現(xiàn)明顯的冒落帶特征。

不同顆粒組合CGFB實(shí)際應(yīng)用效果分析如圖11所示。由圖11可以看出，0～5 mm煤矸石填充物能夠有效支撐地表，最大下沉量為380 mm，滿足工程的應(yīng)用需要。

圖11 不同顆粒組合CGFB實(shí)際應(yīng)用效果分析Fig.11 Analysis of the practical application effect of different particle combinations of CGFB

6 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種采用刮板絞車進(jìn)行急傾斜煤層遠(yuǎn)距離充填的充填技術(shù)，并在實(shí)際的煤礦中設(shè)計(jì)了煤矸石運(yùn)輸充填整個(gè)系統(tǒng)。在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，工作面的斷層和長(zhǎng)度對(duì)充填率有較大影響。采用充填采礦工藝數(shù)值模擬，研究了煤矸石在采空區(qū)的熱解規(guī)律。采空區(qū)內(nèi)煤矸石主要經(jīng)歷了煤矸石滑坡階段、小規(guī)模沉降階段、漏斗狀沉降階段和大規(guī)模沉降階段。隨著工作面傾斜長(zhǎng)度和開采深度的增加，矸石的運(yùn)移時(shí)間逐漸增加。采空區(qū)煤矸石運(yùn)移區(qū)可劃分為運(yùn)動(dòng)區(qū)、滑坡區(qū)、沉陷區(qū)、漏斗形沉陷區(qū)和回填區(qū)。充填區(qū)是充填巷道的沉陷坑，通過(guò)將矸石運(yùn)輸?shù)讲煽諈^(qū)的遠(yuǎn)距離部位進(jìn)行充填，證明了采用鏟運(yùn)機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)距離充填的有效性。根據(jù)模擬結(jié)果，優(yōu)化了煤矸石填充的回采方案，采用了0～5 mm煤矸石填充物縮短了工作面傾斜長(zhǎng)度，提高了回采率。