２ 煤矿采空区胶结充填充实率的科学内涵与 表征模型
２? １ 充实率的科学内涵
２? １? １ 充实率的影响因素
充实率是充填开采岩层控制的核心，衡量了采空 区的充实程度，是指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厚的比值［９，１１，２３，４３－４６］ ，见 式（１）。 其中，充填材料压缩量反应了充填材料的力 学性能，是影响充实率的重要因素，一般采用压缩率 来表征，即 式中
，
为采 空区充实率；η 为充填体压缩率；ｈ 为实 际采高，ｍ；ｈｄ为顶板最终下沉量，ｍ；ｈｔ 为顶板提前下 沉量，ｍ；ｈｑ 为充填体欠接顶量，ｍ；ｈｋ 为充填体的压 缩量，ｍ。
由式（１） ～ （３）可知，采空区充实率主要由实际 采高和顶板最终下沉量决定，其中顶板最终下沉量可 分为顶板提前下沉量、充填体欠接顶量、充填体的压 缩量 ３ 部分。 前两部分是由采矿地质条件和充填工 艺水平决定的，而充填体的压缩量是由充填体的受力 状态和力学性能所决定
２? １? ２ 采空区胶结充填 。
体承载机制 胶结充填料浆充入采空区 后，在采空区四周煤岩 的侧向约束下凝固硬化形成具有承载能力的胶结充 填体。 采空区覆岩在矿山压力的作用下逐渐下沉，当 顶板与充填体接触后，充填体受到来自上覆岩层的压 力。 从采场尺度考虑，可以假设胶结充填体充入采空 区后与周围岩壁接触良好，上覆岩层在下沉过程中对 充填体不断压实，直至在充填体支撑作用下覆岩停止 移动达到最终平衡，此时充填体受到的垂直应力为原 岩应力状态。 充填采场达到最终平衡状态时，充填体 被压缩的量即为式（ １），（ ２） 中所述的充填体压缩 量 Ｈｑ ，压缩量与充填体初始高度的比值称为充填体 压缩率。 因此，可将采空区充填体受压过程抽象成充 填体的侧限压缩试验，采空区胶结充填体的压缩变形 规律可由侧限压缩试验的应力－应变曲线表征，曲线 上任意点的应力可表示来自覆岩的垂直应力，应变可 表示当前垂直应力水平下充填体的压缩率。 胶结充 填体侧限约束下的垂直应力和压缩率呈现对数函数 关系，其具体力学响应特征已在上一节进行了详细论 述。 采空区胶结充填体承载机制如图 ７ 所示（图中， σ１ ，σ２ 为充填体受到的侧向压力；γ 为上覆岩层容 重；Ｈ 为充填体埋深）。
２? ２ 胶结充填充实率表征模型
对胶结充填体侧限压缩试验结果进行分析，提取 不同强度充填体在多种垂直应力水平下的压缩率，可 得胶结充填体 ＵＣＳ、垂直应力和压缩率的耦合作用关 系，如图 ８ 所示。
需要说明的是，此处充填体 ＵＣＳ 指的是当采空 区充填体稳定持续的受到覆岩压缩时对应龄期的单轴抗压强度，考虑到覆岩移动过程缓慢且复杂，结合 充填体试验标准，将此龄期简化为 ２８ ｄ，即本文涉及 的充填体强度需求指的是充填体 ２８ ｄ 龄期对应的后 期强度。
由图 ８ 可知，在任意垂直应力水平下，如前文所 述，ＵＣＳ 与压缩率的关系可由 Ａｌｌｏｍｅｔｒｉｃａｌ 函数表征； 而在 ＵＣＳ 一定的条件下，胶结充填体力学性能即为 其侧限压缩应力－应变特征，可用对数函数表征；在 充填体压缩率一定的条件下，充填体 ＵＣＳ 和其所受 垂直应力基本呈现线性正相关，以 １０％压缩率为例， 垂直应力每增加 １ ＭＰａ，充填体 ＵＣＳ 需增大０．１１６ ＭＰａ 左右，相当于煤层埋深每增加 １００ ｍ，若要达到相同压缩率，充填体 ＵＣＳ 应增大 ０．２９ ＭＰａ 左右。
将图 ８ 中展示的试验数据作为基础数据库，将垂 直应力通过海姆公式对应转换为煤层埋深，基于上述 分析的 Ａｌｌｏｍｅｔｒｉｃａｌ 函数和对数函数对数据进行上下 边界三维曲面拟合，可得出任意开采深度条件下胶结 充填体的后期强度和压缩率表征模型，如图 ９ 所示， 模型函数见式 （ ４）。 在此基础上， 将 式 （ ４） 代 入 式（１），可得到胶结充填采空区充实率表征模型，见 式（５）。
图 ９ 任意开采深度条件下胶结充填体的强度和 压缩率表征模型
Ｆｉｇ．９ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ａｎｄ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｃｅｍｅｎｔｅｄ ｂａｃｋｆｉｌｌ ａｔ ａｎｙ ｍｉｎｉｎｇ ｄｅｐｔｈ
式中，Ｒｃ 为胶结充填材料 ２８ ｄ 龄期单轴抗压强 度，ＭＰａ；ａ 为模型参数，调节充填体压缩率的变化程 度；ｂ 为模型参数，调节充填体压缩率随单轴抗压强 度 Ｒｃ 的变化程度；ｃ 为模型参数，调节充填体压缩率 随埋深 Ｈ 的变化程度；ｄ 为模型参数，一般取 １。
３ 充实率控制导向的胶结充填体强度需求动 态设计方法
３? １ 胶结充填目标充实率
按照不同的应用场景，煤矿采空区胶结充填的岩 层控制目标主要包括控制顶板下沉、控制导水裂隙带 和控制地表沉陷，分别对应特殊岩层下充填开采、水 体下充填开采和地表建构筑物下充填开采。 将实现 充填开采岩层控制目标时对应的临界充实率定义为 目标充实率，则可推导不同充填应用场景的目标充实 率计算方法。 ３? １? １ 控制顶板下沉的目标充实率 沿着充填工作面推进方向，取采空区中点为坐标 原点建立坐标系，将顶板假设为梁结构，建立胶结充 填开采顶板下沉计算模型，如图 １０ 所示。 利用弹性 地基梁理论对其进行分析计算，最终可得到胶结充填 开采顶板下沉计算公式
式中，φｘ 为顶板下沉的目标充实率；ｙ 为顶板下沉 值，ｍ； β 为 特 征 系 数； Ｑ 为 简 化 参 数 Ｑ ＝ ｈｔ ＋ ｈｑ ＋ ｑ（ｘ） ／ ｋ；ｑ（ｘ）为上部载荷，ＭＰａ；ｋ 为地基系数，Ｎ／ ｍ３ 。 ３? １? ２ 控制导水裂隙带的目标充实率 基于导水裂隙带预计经验公式和充实率表征模 型，可以得出胶结充填开采导水裂隙带高度预计通式
式中，φｄ 为导水裂隙带的目标充实率；Ａ１ ，Ａ２ ，Ｂ１ ，Ｂ２ ， Ｃ１ 为岩性参数，与上覆岩层岩性有关，具体取值可参 ４２５８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 考三下采煤规程
３? １? ３ 控制地表 。
沉陷的目标充实率 利用概率积分法结合充实率理论，可得到胶结充 填开采条件下的地表沉陷计算公式， 见式 （ １２），
式中，φｓ 为地表沉陷的目标充实率；ｑ 为下沉系数；α 为煤层倾角，（°）；ｒ 为主要影响半径；ｘ，ｙ 为地表任意 点横纵坐标；ｓ，ｔ 为开采单元横纵坐标；ｗｍａｘ为地表最 大下沉值，ｍｍ；ｗ（ ｘ，ｙ） 为坐标（ ｘ，ｙ） 点的地表下沉 值，ｍｍ。
３? ２ 充实率控制导向的胶结充填体强度需求计算 模型
将胶结充填目标充实率代入充实率表征模型进 行强度需求设计，可得到不同采高、埋深等开采条件 下，达到任意目标充实率所需要的充填体单轴抗压强 度，充实率控制导向的胶结充填体强度需求计算模 型为
式中，φｍ 为目标充实率。
充实率控制导向的充填体强度需求计算模型中 涉及到的相关具体参数可由图 ９ 和充实率表征模型 给出。
图 ９ 中模型的上下边界面分别对应 ２ 种强度需 求设计原则，上边界面对应保守原则，下边界面对 应乐观原则。 采用保守原则设计出的胶结充填体 强度需求临界值可以确保实际充实率达到目标充 实率，充填体强度较高；采用乐观原则设计出的胶 结充填体强度需求临界值可以满足最低要求，但在 一定程度上存在实际充实率达不到目标充实率的 可能性。 工程应用中为了保证岩层控制效果，充填 体强度设计应以保守原则为准，乐观原则仅用于个 别特殊情况
３? ３ 充实率 。
控制导向的胶结充填体强度需求动态设 计流程 基于建立的胶结充填充实率表征模型，结合不同 胶结充填开采应用场景的目标充实率设计原理，形成 了充实率控制导向的胶结充填体强度需求设计方 法［４７］ 。 该方法的具体设计流程如下：
（１）通过侧限压缩和无侧限压缩试验，建立胶结 充填体强度和压缩特征数据库。
（２）结合采矿地质条件，得出该条件下胶结充填 体 ＵＣＳ 和压缩率的关系，建立胶结充填充实率表征 模型。
（３）确定目标充实率，根据目标充实率得出充填 体强度需求指标。
（４）得出满足强度需求的充填材料配比，验证材 料的输送性能，得到同时满足强度和输送需求的胶结 充填材料配比。 充实率控制导向的胶结充填体强度需求动态设 计流程如图 １１ 所示。
４ 工程实践
４? １ 工程背景采矿地质条件
开滦集团某矿井胶结充填区域煤层厚度 ２．００ ～ ２．７５ ｍ，平均 ２． ４ ｍ， 煤层埋深 ６３０ ～ ８９０ ｍ， 平均 ７６５ ｍ，倾角 ２２°左右，煤层分布特征如图 １２ 所示。 充填过程中采用的胶结充填材料即为本研究中试验 用胶结充填材料。 充填过程中的胶结充填体欠接顶 量 ｈｑ 约为 ０．１５ ｍ，顶板提前下沉量 ｈｔ 约为 ０．１ ｍ。 该区域充填开采控制目标为：顶板下沉量不超过 ４５０ ｍｍ，导水裂隙带高度不超过 １６ ｍ，地表最大下沉 值不超过 １３０ ｍｍ。
４? ２ 将 充 煤 填 层 区 厚 域 度 胶 和 结 埋 充 深 填 等 体 参 平 数 均 的 强 平 度 均 需 值 求 代入充实率 导向的充填体强度需求设计模型，可得出充填开采控 制目标值与充填体强度需求的关系，如图 １３ 所示。 结合该区域充填开采控制目标，即可得到针对不同控 制对象该充填区域胶结充填体 ２８ ｄ 龄期平均强度需 求，见表 ３。
４? ３ 考 充 虑 填 到 区 充 域 填 胶 工 结 作 充 面 填 煤 体 层 动 条 态 件 强 的 度 动 需 态 求 变 设 化 计 ，进一步 对充填工作面各区域的充填体强度需求进行研究。 由充填体平均强度需求可知，该充填区域以控制导水 裂隙为目标时对充填体强度的需求最高，基于充填区 域内煤层分布特征，采用保守原则，对充填区域胶结 充填体强度需求进行精细化设计，结果如图 １４（ａ）所 示。 结合充填工作面的布置和工程现场的实际需求， 在考虑充填工艺和充填成本的基础上，对设计结果进 行优化分区，结果如图 １４（ ｂ）所示，各工作面充填强 度需求关键参数见表 ４。
由图 １４ 和表 ４ 可知，ＣＴ１２０１ 工作面中部对充 填体的强度需求较低，ＣＴ１２０２ 工作面和 ＣＴ１２０３ 工作面对充填体的强度需求从开切眼沿推进方向 逐渐降低。 对强度需求结果进行优化分区后，设 计结果更加符合工程需求，在满足岩层控制需求 的基础上实现了充填体强度的分区动态管理，科 学的降低了充填开采材料成本，具有一定的科学 意义和工程价值。
５ 结 论
（１）基于单轴压缩和侧限压缩试验数据，利用上 下边界 Ａｌｌｏｍｅｔｒｉｃａｌ 函数表征胶结充填体单轴抗压强 度与侧限条件下压缩率的关系。 充填体强度较低时， 其压缩率对 ＵＣＳ 敏感性较高且离散性较大；充填体 强度较高时，压缩率对 ＵＣＳ 表现出较低的敏感性和 较强的相关性。
（２）在研究充实率主要影响因素及采空区充填 体承载机制的基础上，建立了煤矿胶结充填采空区充 实率表征模型，给出了充填体所受垂直应力、压缩率 和 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。
（３）针对控制顶板下沉、导水裂隙带和地表沉陷 ３ 种控制目标，得出对应目标充实率的计算方法，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。
（４）以开滦集团某矿胶结充填工程为例，根据岩 层控制目标的胶结充填体强度需求进行了设计，充填 体平均强度需求设计为 ３．００ ＭＰａ，并给出了充填开 采区域胶结充填体动态强度需求分布。
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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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