邓雪杰１，２ ，刘 浩１ ，王家臣１ ，王 斐１ ，刘旭正１ ，郑庆学２
（１．中国矿业大学（北京） 能源与矿业学院，北京 １０００８３；２．开滦（集团）有限责任公司，河北 唐山 ０６３０１８）
摘 要：胶结充填是一种在煤矿获得广泛应用的绿色开采技术，然而煤矿胶结充填体的强度需求却 缺乏成套的科学设计方法。 为此，围绕煤矿采空区充实率控制导向的胶结充填体强度需求这一主 题，通过实验室试验和理论分析等方法，实测得出胶结充填体单轴抗压强度（ＵＣＳ）与侧限条件下压 缩率之间的关系，阐明了煤矿充填开采采空区充实率的科学内涵，分析了采空区充填体的承载机 制，建立了胶结充填采空区充实率表征模型，揭示了胶结充填体强度对充实率的影响作用机制，研 究了多场景胶结充填目标充实率计算原理，形成了煤矿采空区充实率控制导向的胶结充填体强度 需求动态设计方法。 研究表明：① 侧限压缩试验中，特定垂直应力对应的胶结充填体压缩率与充 填体 ＵＣＳ 呈单调负相关，二者关系可利用上下边界 Ａｌｌｏｍｅｔｒｉｃａｌ 函数表征，且压缩率对 ＵＣＳ 的敏感 性随充填体强度增加而减小，即充填体强度达到一定程度后再提升强度对其压缩率的影响很小； ② 得出了充填体所受垂直应力、压缩率和充填体 ＵＣＳ 三者的耦合关系，形成不同开采深度条件下 胶结充填体 ＵＣＳ 和压缩率的数学表征方法，建立了胶结充填充实率数学表征模型；③ 将充实率表 征模型应用于控制顶板下沉、导水裂隙和地表沉陷多种应用场景，形成了目标充实率控制导向的胶 结充填体强度需求设计方法。 将研究成果应用于开滦集团某矿胶结充填体强度需求设计，得出充 填体平均强度需求为 ３．００ ＭＰａ，并基于充填开采区域内煤厚、埋深等采矿地质条件的变化和工作 面巷道布置方案，给出了 ＣＴ１２０１，ＣＴ１２０２ 和 ＣＴ１２０３ 工作面充填体强度需求的动态分布。
关键词：胶结充填体；强度需求；充实率；侧限压缩
煤炭是我国的主体能源，对保障我国能源供给和 能源安全具有重要意义。 然而，煤炭地下开采会导致 覆岩破断、地表沉陷、地下水系破坏以及环境污染等一 系列问题，煤炭的科学开采面临着巨大的挑战［１］ 。 胶 结充填作为一种绿色开采技术，将胶结材料充入采空 区支撑围岩，减少采矿对上覆岩层的扰动，提高资源回 收率，同时减少废弃物在地表的排放，降低环境污染， 是煤炭科学开采的重要技术途径之一，在中国、澳大利 亚、加拿大等国家乃至世界范围内得到广泛应用［２－５］ 。
作为采空区岩层移动的承载单元，充填体的力学 性能是影响胶结充填开采岩层控制效果的重要影响 因素，工程中一般用胶结充填体的单轴抗压强度衡量 充填材料的力学性能，因此，充填体强度是胶结充填 工程应用中的一个重要指标。 充填体强度不足，会导 致充填开采岩层控制效果不好；而充填体强度过高， 会导致胶结料的严重浪费，造成充填开采生产成本的 大幅增加［６－７］ 。 据统计，胶结料的成本占胶结充填材 料的成本达 ５０％以上［３，５，８］ ，合理的充填体强度设计 对胶结充填材料成本控制意义重大。 然而，充填体强 度设计经验大多源于金属矿山，金属矿山充填体强度 设计更注重充填体稳定性，不能满足煤矿岩层控制的 需求。 目前关于煤矿胶结充填体强度需求设计没有 形成一套完整科学的方法，导致充填体强度指标设计 缺乏科学依据。 世界范围内胶结充填体强度呈现较 大的离散性，如图 １ 所示。
煤矿充填开采岩层控制的核心是采空区的充实 率程度，为了有效衡量采空区充实效果，相关学者采 用充实率［９－１０］ 的概念来衡量采空区充实程度，其含义 是充填体在覆岩载荷下完全压实后的最终有效高度 与煤层采高的比值，是基于等价采高模型得出的理论 值［１１－１２］ 。 充实率反应了采空区充填后的最终状态， 从理论上描述了充填开采的岩层控制效果，揭示了充 填装备、充填工艺和充填材料力学性能等对岩层控制 效果的影响，可作为煤矿充填开采工程设计的理论依 据。 因此，基于煤矿充填开采岩层控制需求，以采空 区充实率控制为导向针对煤矿胶结充填体强度需求 进行设计，揭示充填体力学性能对采空区充实率的影 响机制，形成一套科学的胶结充填体强度需求设计方 法，对煤矿胶结充填开采具有重要意义。
与充实率导向的胶结充填体强度设计相关的研 究主要包括胶结充填体力学性能、充实率内涵和充填 体强度设计 ３ 个方面。 充填体力学性能方面，ＬＩＵ 等［１３］ 采用损伤力学建立了尾砂胶结充填体的损伤本 构方程，并利用突变理论得出充填体与岩体的系统失 稳判据。 曹帅等［１４－１５］ 运用一系列试验分析了 ３Ｄ 打 印聚合物、纤维、高径比对尾矿胶结充填体力学性能 的影响。 赵康等［１６－１７］ 通过单轴压缩试验，揭示了质 量浓度对充填体力学性能及损伤特性的影响规律。 除此之外，国外学者同样进行了研究［１８－２０］ ，结果表明 ｐＨ、温度、排水和充填方法等都会对胶结充填体力学 性能造成一定影响。 上述研究分析了影响充填力学 性能的因素，揭示了充填体强度的变化规律，而更符 合采空区充填体受力状态的侧限条件下胶结充填体 力学行为还需要进一步研究。
充实率内涵方面，张吉雄等［１１－１２，２１－２３］ 分析了影 响充实率的等价采高、关键充填设备、工作面推进方 向等多个因素，基于不同的控制目标提出了临界充实 率的概念，并进行了瓦斯保护层、保水开采等条件下 的充实率设计。 周跃进等［９］ 认为顶板的提前下沉 量、欠接顶量和充填物料的压缩变形量是决定充实率 的三大关键因素，据此优化了充填设备及工艺。 左建 平等［２４］ 分析得出充实率、采厚及关键层是影响覆岩 曲率的关键因素，提出采用曲率理论模型评价充填的 效果。 上述研究揭示了充实率内涵并提出了多种充 实率设计理论，但没有建立充实率和胶结充填体力学 性能的定量关系。
充填体强度设计方面，吴爱祥等［２５］ 归纳了国内 外具有代表性的胶结充填体三维模型解析设计方法， 如经典的 Ｍｉｔｃｈｅｌｌ 模型以及考虑顶载、倾角和不均匀 性等因素的改进方法［２６－２７］ 。 乔登攀等［２８－２９］ 借助楔 体滑动理论推导出胶结充填体危险力学环境下的抗 压强度模型，在路基路面设计原理的基础上，提出无 轨设备荷载下胶结充填体厚度的设计方法。 国外学 者 认 为 典 型 的 胶 结 充 填 体 强 度 范 围 为 ０． ５ ～ ２．５ ＭＰａ［３０］ ，也有学者［３１－３８］ 从不同角度提出了多种 胶结充填体强度设计方法。
上述研究提出的充填体 强度设计方法大都从充填开采工艺出发，围绕充填体 稳定性开展的，尚未形成面向煤矿岩层控制的胶结充 填体强度设计成套方法，充填体力学性能对采空区充 实率的影响作用机制仍需进一步研究。 笔者围绕煤矿采空区充实率控制导向的胶结充 填体强度需求这一主题，通过实验室试验、理论分析 等方法，归纳出胶结充填材料抗压强度与侧限条件下 压缩率之间的关系，建立了煤矿胶结充填采空区充实 率表征模型，揭示了胶结充填体强度对充实率的作用 机制，提出了充实率控制导向的胶结充填体强度需求 动态设计方法，并将研究结果应用于开滦集团某煤矿 的充填体强度设计，给出了该矿井充填试验区胶结充 填体强度需求动态指标。 研究成果丰富了胶结充填强 度设计理论，可为煤矿胶结充填工作面的充填体强度 设计提供理论依据，具有一定的科学意义和工程价值。
１ 煤矿胶结充填体侧限压缩特性
１? １ 试验材料与测试方法
１? １? １ 试验材料
试验胶结充填材料由矸石、粉煤灰、水泥和添加 剂配合而成。 矸石、粉煤灰取自开滦集团，矸石粒径 均小于 １５ ｍｍ 并主要集中在 ４～８ ｍｍ，其堆积密度和 真密度分别为 ２．２１８ 和 ２．８０８ ｇ ／ ｃｍ３ ，孔隙率为 ０．２１， 主要矿物成分为石英和高岭土等；粉煤灰粒径主要集 中在 １０ ～ １５０ μｍ，其含水率为 ０． ７６％，堆积密度为 ０．８６１ ｇ ／ ｃｍ３ ，主要矿物成分为石英、莫来石等。 水泥 为 ＰＯ４２．５Ｒ 普通硅酸盐水泥，添加剂为活性激发材 料。 试验原材料矿物成分及粒径级配如图 ２ 所 示（图中，ｄ（１０） ，ｄ（ ３ ０） ，ｄ（ ５ ０） ，ｄ（ ６ ０） ，ｄ（ ９ ０） 分别为 １０％， ３０％，５０％，６０％，９０％的颗粒小于的粒径）。
１? １? ２ 测试方法
试验包括无侧限单轴压缩试验和侧限压缩试验 两部分。 单轴压缩试验依据国家标准进行，侧限压缩 测试将充填体试样装入自制模具内，置于伺服压力机 上进行侧限压缩，试样制备流程与试验方法如图 ３ 所示。
采用美特斯 ＣＤＴ１５０４ 电液伺服压力机进行测 试，加载方式为位移控制，综合考虑时间成本和试验 精度，根据岩石力学中低加载速率试验［３９－４１］ ，无侧限 压缩试验加载速率为 １ ｍｍ ／ ｍｉｎ，侧限压缩试验加载 速率为 １０ ｍｍ ／ ｍｉｎ。 同因素试验以 ４ 组试验作对比， 每组实验做 ３ 个平行试样，分别测试试件养护龄期 １，３，７，２８ ｄ 的结果，共计 ３３６ 个试件。 力学试验所用 胶结充填材料配比见表 １。
１? ２ 胶结充填材料力学性能
１? ２? １ 侧限压缩应力－应变特征
针对不同配比的胶结充填体，通过分别进行无侧 限单轴抗压强度（ＵＣＳ）测试和侧限压缩试验得到不 同单轴抗压强度充填体的侧限压缩应力－应变曲线， 以 ２８ ｄ 龄期材料为例，如图 ４ 所示。
由图 ４ 可知，侧限条件下胶结充填体试件的应 力－应变曲线存在一个非稳定变形阶段，这是由于试 件与模具的接触状态造成的，该阶段之后呈现出对数 函数［２３，４２］ 关系，且拟合曲线平方差均在 ０．９９ 左右。 随着料浆、粉煤灰和水泥质量分数的增加，应力应变 对数关系曲线越平缓，可以认为对应的试件抗压缩性 ４２５４第 １２ 期 邓雪杰等：煤矿采空区充实率控制导向的胶结充填体强度需求 能越强。 随着添加剂的增加，试件的抗压压缩性能先 增加后减小，这与其单轴抗压强度变化一致。 其他龄 期试件呈现出的相关规律与上述规律基本一致。 因 此，试件的抗压缩性能和试件的单轴抗压强度正 相关。 １? ２? ２ 固定垂直应力条件下试件的压缩率 为进一步分析充填体的压缩特性，考虑到工程背 景的煤层埋深约为 ８００ ｍ，取 ２０ ＭＰａ 垂直应力作用 下不同配比充填体的压缩率进行分析，不同龄期充填 体试件的单轴抗压强度与压缩率如图 ５ 所示。
其中，６％添加剂 ３ ｄ 的试件由于体积膨胀无法 放入侧限模具，不含水泥 １ ｄ 龄期试件强度过低无法 测试，造成相关试验数据缺失。
由图 ５ 可知，各龄期试件的 ＵＣＳ 随着料浆质量 分数和水泥质量分数的增加而逐渐增加，对应试件的 压缩率逐渐减小。 由于添加剂质量分数的增加，试件 的 ＵＣＳ 先增加后减小，对应压缩率先减小后增加。 随粉煤灰质量分数增加，试件 ＵＣＳ 整体呈上升趋势， 压缩率整体呈现下降趋势，但在粉煤灰质量分数高达 ３５％和 ４０％时出现特征异常点。 此外，试件的 ＵＣＳ 随龄期的增加逐渐增加，而压缩率逐渐减小。 综上所 述，充填体试件的 ＵＣＳ 与其压缩率呈现明显的单调 负相关，即 ＵＣＳ 越高，压缩率越小，反之，ＵＣＳ 越小， 压缩率越大。
１? ３ 胶结充填体单轴抗压强度与压缩率的关系
根据侧限压缩试验结果，可得到不同垂直应力条 件下充填体的压缩率，以 ２０ ＭＰａ 垂直应力条件为 例，充填体抗压强度和压缩率的关系如图 ６ 所示。 采 用一组上下边界 Ａｌｌｏｍｅｔｒｉｃａｌ 函数来表示胶结充填体 ＵＣＳ 与压缩率的关系，边界拟合参数见表 ２。 其他垂 直应力条件下的数据也呈现类似规律，篇幅所限不在 此列出。
由图 ６ 可知，随着单轴抗压强度的增大，试样的 压缩率逐渐降低，相关性趋于稳定。 １ ｄ 龄期的低 ＵＣＳ 试样，压缩率在 ２２．９０％ ～ １６．３４％，相近 ＵＣＳ 试 样的压缩率在上下边界线内波动且差异大，数据离散 性较大。 ３ ｄ 和 ７ ｄ 龄期试样压缩率分别在 １５．０２％ ～ ２１．１１％和 １２．８９％ ～ ２１．２４％。 ２８ ｄ 龄期的高 ＵＣＳ 试 样的压缩率在 ７．８６％ ～１８．０３％，ＵＣＳ 与压缩率之间的 相关性明显增强。
当充填体强度较低时，压缩率对 ＵＣＳ 的敏感性 较高，如试件 ＵＣＳ 由 ０．０１ ＭＰａ 增加 １ ＭＰａ，试件压缩 率由 ４０％快速减小到 １６％。 当充填体强度较高时， 压缩率对 ＵＣＳ 的敏感性较低，如试件 ＵＣＳ 由 ３．０ ＭＰａ 增加到 ４．０ ＭＰａ，试件压缩率仅由 １０％减小到 ９％。 因此，充填体强度对其压缩率的影响是有一定限度 的，只有在充填体强度偏低时，提高强度才可能显著 降低其压缩率。
（未完待续）
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湘潭乾坤矿山尾矿充填整体承包方案介绍
尾砂充填系统EPC总承包--机械过滤系统
一、膏体充填核心技术：
膏体配比参数的实验研究和确定，可根据充填目的，优化充填体强度参数，根据流动性能、凝固性能和强度要求，优化灰沙比。
采矿方法和充填工艺的可行性、充填综合成本的研究，选择合适特性的膏体充填工艺技术方案。
确定全尾砂脱水方式与装备，膏体搅拌制备方式与装备，膏体输送方式与装备，保证膏体均质和活化。
确定膏体管道泵送的流变特性、临界流速、阻力损失等核心参数。
选择合理的控制方式，确保膏体充填系统的连续稳定工作。
膏体充填系统的调试使所有工艺设备达到设计的最佳工作状态。
三、干堆尾砂工艺流程
四、湿排尾砂工艺流程
五、技术参数
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