＊王保勤

（潞安化工集團(tuán)左權(quán)五里堠煤業(yè)公司 山西 032600）

近些年，我國(guó)煤炭行業(yè)雖然有了顯著的發(fā)展，但是清潔發(fā)展仍是煤炭行業(yè)亟待解決的問(wèn)題?！睹禾抗I(yè)發(fā)展“十三五”規(guī)劃》中要求改變傳統(tǒng)的開(kāi)采模式，發(fā)展綠色開(kāi)采技術(shù)，最大程度的減輕煤炭開(kāi)采過(guò)程中帶來(lái)的生態(tài)問(wèn)題，以達(dá)到和諧開(kāi)采的目的[1]。充填開(kāi)采技術(shù)在煤礦中的應(yīng)用是清潔發(fā)展模式的重要途徑之一，是解決“三下”壓煤回采和合理利用廢棄物的主要發(fā)展方向。充填開(kāi)采技術(shù)是將煤矸石等固體廢物作為充填材料充入采空區(qū)，可以減少煤矸石等廢棄物堆積引起的土壤、大氣和水環(huán)境污染等問(wèn)題[2-3]，并且能有效地控制地表沉降引起建筑物的安全問(wèn)題。研究矸石充填對(duì)古城煤礦安全、綠色、高效開(kāi)采具有重要意義。

古城煤礦采用充填采礦技術(shù)對(duì)“三下”壓煤進(jìn)行開(kāi)采，雖然充填開(kāi)采費(fèi)用相對(duì)較高，但“三下開(kāi)采”理論已經(jīng)有了很大的發(fā)展。本文以矸石膏體充填材料正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過(guò)極差和方差分析，并根據(jù)充填體強(qiáng)度和成本要求，獲得了適合古城煤礦的矸石膏體充填最優(yōu)配比。

1.充填體強(qiáng)度理論設(shè)計(jì)

不同采空區(qū)充填所需的膠結(jié)充填體強(qiáng)度不同，通常根據(jù)充填體在采空區(qū)的力學(xué)作用機(jī)理來(lái)設(shè)計(jì)充填體強(qiáng)度，采用經(jīng)驗(yàn)公式法、托馬斯模型、盧平修正模型等方法來(lái)確定充填體強(qiáng)度。這些方法在金屬礦山充填體強(qiáng)度設(shè)計(jì)中得到了不同程度的應(yīng)用，但對(duì)于煤礦矸石膏體充填而言，經(jīng)驗(yàn)公式得出的強(qiáng)度總體偏高，造成不必要的成本浪費(fèi)；利用托馬斯模型和盧平修正模型得出的充填體強(qiáng)度又偏小，安全性得不到保障。由于上述強(qiáng)度計(jì)算方法不能完全反映出充填體特性，因此需要進(jìn)一步研究，完善充填體強(qiáng)度理論。

(1)充填體早期的強(qiáng)度

充填體早期的強(qiáng)度從兩個(gè)方面對(duì)比分析：一是回填土在承載前的自穩(wěn)；二是頂板的及時(shí)支護(hù)支撐作用。中國(guó)礦業(yè)大學(xué)瞿群迪總結(jié)分析了充填體自穩(wěn)性的研究方法，基于托馬斯模型，提出了適合煤礦充填開(kāi)采的充填體自穩(wěn)強(qiáng)度體自穩(wěn)定強(qiáng)度σ計(jì)算公式：

式中：σ為充填體強(qiáng)度，MPa；γ為充填體容重，MN/m3；h為充填體高度，m。

但是充分的礦山實(shí)踐中表明，上述公式適用于頂板直接厚度小于2m的情況，當(dāng)頂板直接厚度大于2m時(shí)，計(jì)算結(jié)果有一定的局限性。趙才智認(rèn)為實(shí)驗(yàn)室回填試塊的強(qiáng)度與現(xiàn)場(chǎng)臨界立方體試塊的強(qiáng)度不同。如果實(shí)際采空區(qū)充填時(shí)，直接頂板在覆巖作用下會(huì)產(chǎn)生一定的變形。同時(shí)，回填體需要對(duì)直接頂板有一定的支護(hù)作用，防止其破壞坍塌。因此，在上述公式的基礎(chǔ)上，提出了一個(gè)修正公式：

式中：a為實(shí)驗(yàn)室試塊與現(xiàn)場(chǎng)試件強(qiáng)度的比值，取1.2；b為安全系數(shù)，取1.5；γ為充填體容重，取0.025mN/m3；h為充填體高度，取6m。

計(jì)算得出古城煤礦充填體早期強(qiáng)度不得低于0.305MPa。

(2)后期強(qiáng)度

后期強(qiáng)度一般指的是充填體28天后的強(qiáng)度，能支撐直接頂或老頂作用在原先支架上的載荷[13]，充填后采空區(qū)上方主要變形表現(xiàn)為產(chǎn)生裂隙帶和彎曲下沉帶，充填體的后期強(qiáng)度應(yīng)大于上覆巖層的重量，后期強(qiáng)度對(duì)控制頂板下沉具有重要影響。

直接頂載荷q1為：

式中，h為直接頂厚度，取10m；γ為直接頂容重，取25kN/m3；

直接頂載荷或老頂通過(guò)直接頂作用于支架的載荷p為：

式中，q2為老頂載荷；M為采高，取6m；K為碎脹系數(shù)，取1.25；γ為直接頂容重，取25kN/m3。

充填體要能支撐直接頂及老頂周期來(lái)壓所形成的載荷，還應(yīng)考慮一定的安全系數(shù)，即充填體的后期強(qiáng)度：

式中：k為安全系數(shù)，取1.1。

計(jì)算得出σh為2.112MPa，即古城煤礦充填體后期強(qiáng)度不得低于2.112MPa。

2.試驗(yàn)材料及方法

（1）充填骨料。煤矸石樣品由山西潞安集團(tuán)從古城煤礦矸石山采集，未脫水干燥處理，為了真實(shí)反映矸石的級(jí)配特征，對(duì)實(shí)驗(yàn)用的矸石進(jìn)行人工破碎和二次破碎后，直接進(jìn)行篩分。用篩分法進(jìn)行煤矸石粒徑組成測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 二次破碎后古城煤礦煤矸石粒度分級(jí)表

由表1結(jié)果可知，二次破碎后的矸石其粒徑＜5mm，占比只有25.4%，其級(jí)配缺陷明顯，粒徑級(jí)配變化較大，若直接用于充填，則對(duì)膏體的流動(dòng)性、強(qiáng)度及孔隙率影響較大，因此需要對(duì)煤矸石進(jìn)行篩分加工以得到滿足要求的矸石級(jí)配。綜合混凝土粗骨料的級(jí)配經(jīng)驗(yàn)以及大量的礦山膏體充填實(shí)踐，其中粒徑＜5mm煤矸石所占40%左右時(shí)，堆積密度最大，級(jí)配理想，流動(dòng)能力最優(yōu)，即砂率為40%。因此，破碎后的最大矸石粒徑應(yīng)控制為25mm以下，并通過(guò)篩分將矸石砂率控制到40%左右。

（2）試驗(yàn)方案。充填體強(qiáng)度受矸石級(jí)配、細(xì)料量（粉煤灰含量）、膠結(jié)料、質(zhì)量濃度等多種因素的影響，結(jié)合礦山工程實(shí)際，對(duì)料漿質(zhì)量濃度、灰矸比和摻入粉煤灰的量三個(gè)主要因素進(jìn)行研究，將凝結(jié)時(shí)間、早起強(qiáng)度和后期強(qiáng)度作為考察指標(biāo)，試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)養(yǎng)護(hù)齡期分別為：8h、3d、7d、28d。根據(jù)以往的配比經(jīng)驗(yàn)，煤矸石與膠結(jié)材料質(zhì)量之比的范圍取4～10，水泥與粉煤灰之比范圍取1:1～1:4，質(zhì)量濃度的范圍取78%～84%，每個(gè)因素取4個(gè)水平值。采用正交實(shí)驗(yàn)法進(jìn)行設(shè)計(jì)，相應(yīng)的因素及水平取值見(jiàn)表2，具體配比試驗(yàn)方案見(jiàn)表2。

表2 膏體配比設(shè)計(jì)方案

按照試驗(yàn)方案將各物料依次放入攪拌機(jī)內(nèi)制備料漿，料漿制備好后，裝入70.7mm×70.7mm×70.7mm的標(biāo)準(zhǔn)三聯(lián)試模，料漿裝入試模之前，在內(nèi)部抹涂滿潤(rùn)滑油，便于后期脫模。在裝滿料漿的試模上做標(biāo)記或加字條表明試件編號(hào)，放入標(biāo)準(zhǔn)恒溫恒濕YH-40B型養(yǎng)護(hù)箱，養(yǎng)護(hù)溫度為20℃，濕度為90%。待試件養(yǎng)護(hù)到相應(yīng)齡期后，對(duì)充填試塊進(jìn)行單軸抗壓試驗(yàn)以獲得其抗壓強(qiáng)度。

3.試驗(yàn)結(jié)果及分析

（1）試驗(yàn)結(jié)果?；谡辉囼?yàn)方案對(duì)達(dá)到養(yǎng)護(hù)期齡為8h、3d、7d、28d的試件進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度檢測(cè)，每個(gè)期齡共3個(gè)試件，取其平均值作為最終強(qiáng)度數(shù)據(jù)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 不同齡期試件強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果

繪制因素與指標(biāo)趨勢(shì)圖，以各因素為橫坐標(biāo)，以指標(biāo)平均值作為縱坐標(biāo)，結(jié)果如圖1所示。由單軸抗壓強(qiáng)度與各因素水平趨勢(shì)圖可以看出，因素A曲線在各個(gè)齡期的變化均較大，即水泥含量對(duì)充填體早期強(qiáng)度和后期強(qiáng)度的影響較大；因素B曲線在8h和3d的變化趨勢(shì)不大，而在7d和28d的變化趨勢(shì)較大，即粉煤灰的摻量對(duì)早期強(qiáng)度影響較小，而對(duì)后期強(qiáng)度的較大；因素C曲線在各個(gè)齡期變化趨勢(shì)都不大，后期的變化更是趨于平穩(wěn)，因此質(zhì)量濃度對(duì)充填體強(qiáng)度總體影響較小。

圖1 單軸抗壓強(qiáng)度因素水平趨勢(shì)

古城煤礦充填要求充填體早期強(qiáng)度不得低于0.305MPa，后期強(qiáng)度不得低于2.112MPa?？箟簭?qiáng)度實(shí)驗(yàn)表明：P01、P02早期強(qiáng)度達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)；P03、P04、P07、P08由于粉煤灰摻量和質(zhì)量濃度均較大，減弱了水泥的早期水化反應(yīng)，導(dǎo)致脫模時(shí)試件呈干硬松散狀態(tài)，因此認(rèn)為早期強(qiáng)度不達(dá)標(biāo)；其余組的實(shí)驗(yàn)充填體強(qiáng)度均達(dá)標(biāo)。從經(jīng)濟(jì)成本的角度，在達(dá)到充填體強(qiáng)度要求的前提下，充填所需水泥量越少越好，其次粉煤灰摻量越低越好，最后考慮質(zhì)量濃度。經(jīng)過(guò)篩選，P09、P14充填成本比較低，因P14充填體凝結(jié)時(shí)間較長(zhǎng)，影響工作效率，所以最終選擇P09作為古城煤礦最終充填工藝參數(shù)，即灰矸比為1:8，水泥:粉煤灰為1:1，質(zhì)量濃度為82%。

（2）極差、方差分析。極差R為各因素水平效應(yīng)值中最大與最小值之差，它是衡量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)波動(dòng)大小的重要指標(biāo)，極差大的因素，其變化程度對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響就大，反之則??；各因素水平效應(yīng)值Ki為各因素在i水平狀態(tài)下實(shí)驗(yàn)指標(biāo)之和，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 不同齡期試件強(qiáng)度極差分析結(jié)果

從表4的數(shù)據(jù)結(jié)果中可以得到以下結(jié)論：在早期強(qiáng)度指標(biāo)中，水泥添加量的影響最為顯著，而粉煤灰摻量和質(zhì)量濃度影響較小。隨著物料中水泥添加量的增加，膏體早期強(qiáng)度顯著增加，因?yàn)槟z結(jié)料對(duì)強(qiáng)度的影響在早期相對(duì)顯著，同時(shí)隨著膠結(jié)料的增加呈增長(zhǎng)趨勢(shì)；在后期強(qiáng)度指標(biāo)中，水泥添加量的影響依舊最為顯著，而且粉煤灰的影響也很明顯，粉煤灰摻量越多，后期強(qiáng)度越大；質(zhì)量濃度對(duì)早期和后期強(qiáng)度均有影響，并且強(qiáng)度隨著質(zhì)量濃度的增加而增加，但總體影響相對(duì)較小。

4.結(jié)論

（1）通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式和修正模型，計(jì)算得出古城煤礦充填體所需的早期強(qiáng)度為0.305MPa，后期強(qiáng)度為2.112MPa。（2）采用正交試驗(yàn)方法，通過(guò)分析對(duì)比，在滿足古城煤礦充填體強(qiáng)度要求的情況下，盡量減少充填成本，最終確定水泥、煤矸石和粉煤灰的配比為1:8:1，膏體質(zhì)量濃度為82%。（3）通過(guò)對(duì)試件單軸抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行極差分析和方差分析，可以得出：水泥添加量對(duì)早期強(qiáng)度和后期強(qiáng)度影響均為顯著；粉煤灰摻量主要影響后期強(qiáng)度，而對(duì)早期強(qiáng)度影響不明顯；膏體質(zhì)量濃度對(duì)充填體強(qiáng)度有一定的影響，但比前兩者影響都小。