矸石充填充填摘录.docx

充填开采力学作用机理在充填体对采场围岩的支护作用方面，布雷迪和布朗在深井充填技术中提出以下三种充填机理：1）表面支护作用：通过对采场边界关键块体的位移施加运动约束，充填体可以防止在低应力条件下近场岩体在空间上的渐进破坏；2）局部支护作用：充填体在周围围岩压力作用下发挥了被动抗体的作用。作用在充填体与岩块交界面的支护压力允许在采场周围发生很高的局部应力梯度。并且已经证明，小的表面荷载对摩擦型介质的屈服区范围可能产生重大影响；3）总体支护作用：如果充填体受到适当的约束，它在矿山结构中可以起到一种总体支护作用。也就是说，在岩体与充填体交界面上采矿所诱导的位移将引起充填体的变形，而这类变形又导致了整个矿山近场区域中应力状态的降低。上述三种机理代表了充填体在矿山结构中不同的支护作用，即表面的、局部的和总体支护。北京大学于学馥教授针对金川矿区采用的充填材料与充填工艺，研究提出了充填体的三种作用机理：1）应力转移和吸收充填体进入采空区，最初不受力，以后随着充填体强度的提高，具备了吸收应力和转移应力的能力，从而参与采动岩体的自组织系统和活动。2）应力隔离机理充填体对围岩稳定的应力隔离有两种情况：隔离水平应力和隔离竖直应力。3）系统共同作用充填体进入地下空间后，由于充填体、围岩、地应力、开挖等共同作用，特别是开挖系统的自组织机能，使围岩变形得到了有效的控制，围岩能量耗散速度得到了减缓，矿山结构和围岩破坏发展得到了控制。目前试验研究主要得出以下结论：（1）矸石的压实过程可分为颗粒滚动、平动、破碎压实等几个阶段。压实过程具有蠕变特征；颗粒接触从点-点接触到点-面接触过渡；当矸石破碎后又由点-面接触过渡到点-点接触，以此类推，宏观上表现为应变随压实过程呈现趋势减小，逐步波动的特征。图2-2为文献135( 135马占国.采动破裂岩体变形特性及其对地表沉陷的影响研究D.中国矿业大学，2008.)试验得出的破碎岩体蠕变曲线。同时，矸石压缩模量与其密度密切相关，随着密度的增加，矸石压缩模量也急剧增加。（2）矸石压缩过程中产生一定的破碎，破碎率与压力、原岩强度、颗粒级配具有一定的关系，破碎压力在10MPa左右。（3）矸石压缩率与颗粒粒径大小有关；一般来讲，粒径越大则相应压力下的应变也越大。图2-3为笔者根据试验得出的砂岩类矸石不同压力下粒径与应变的关系，从图上可以看出，10MPa以下时，不同粒径压缩性能差异较大，以5.2MPa为例，05mm组的应变比2025mm组应变小4.7%，两者相差26%，主要原因是矸石压缩初期为空隙的压实，相应的大粒径组空隙率较大；10MPa以上时，5mm以上粒径组压缩变形相差不大，但趋势仍是随粒径增大而应变增大，主要是经过第一阶段压实后仍有一定的残余空隙；05mm粒径组压缩变形普遍较小，主要原因是小粒径组颗粒分配均匀和板结效应所致。（4）矸石本构模型可采用非线性弹性模型、弹塑性模型或散体力学模型进行描述。（5）矸石的内聚力、摩擦角与围压、颗粒破碎、粗料含量关系较大。（6）矸石变形特性与堆石、碎石、无粘性土等具有较强的相似性。相对而言，煤矿充填条件下的矸石工况特征与土木工程领域差别较大，主要表现为：（1）充填条件下的煤矸石处于复杂的应力环境中，高应力、饱水、渗流、重复采动影响是其主要特征。（2）充填矸石级配特征相对固定。由于井下工作、充填材料加工的复杂性以及充填成本控制的必要性，不大可能在井下进行大规模的级配重组，更多的是对现有级配进行有限范围的改良以期获得更好的充填效果；这与土木工程领域可自由控制级配差异较大。（3）为获得高强度充填体，往往要对矸石材料采用注浆、添加粘结剂等处理方式，浆液、粘接剂的添加量与矸石级配、空隙率等具有较强的相关性。（4）变形实测数据获取困难。由于采空区内工作条件复杂，矸石充填体的变形实测数据获取相当困难；埋设的监测设备极易遭到破坏。（5）充填体压实困难。充入采空区内的矸石主要依靠自重和上覆岩层的荷载进行压实，很难做到类似于土工领域中采用的反复压实以获得较高刚度。虽然目前开发的矸石充填机能对充填体进行一定的冲击、挤压，但作用效果较小。上覆岩层弹性模量对荷载分担的影响表6-7为不同上覆岩层弹性模量对地表、充填体和煤柱下沉的影响；表6-8为不同上覆岩层弹性模量条件下煤柱、充填体的垂直应力以及相应的荷载分担比。分析表6-7和表6-8可以看出，随着上覆岩层弹性模量的增加，充填体和地表的下沉逐步减小；煤柱下沉逐步增加；煤柱上方的垂直应力逐步增加；充填体上方的垂直应力逐步减小；荷载分担比逐步增加。这主要是因为随着上覆岩层弹性模量的增加，上覆岩层的挠度减小，充填体参与承载幅度减小，相应的其下沉量也逐步减小；同时使得垂直应力向煤柱上方转移，使得煤柱的压缩量有所增加。煤层采厚对荷载分担的影响表6-9为不同采厚对地表、充填体和煤柱下沉的影响；表6-10为不同采厚条件下煤柱、充填体的垂直应力以及相应的荷载分担比。分析表6-9和表6-10可以看出，随着煤层开采厚度的增加，充填体、地表和煤柱下沉都有所增加；煤柱上方的垂直应力随采厚增加而增加，充填体上方的垂直应力随采厚增加而减小；这主要是因为随着煤层采厚的增加，充填体的下沉量急剧增加，使得充填体的承载能力进一步降低，从而导致充填体上方的垂直应力向煤柱上方转移。从上述五个方面的分析可以看出，煤柱压缩量、充填体压缩量、条带采宽、上覆岩层弹性模量、煤层采厚等都对条带充填地表沉陷起到一定的影响；其中条带采宽的影响最为明显，其次为充填体的压缩率和煤层采厚；再次为上覆岩层的弹性模量，最后为煤柱的弹性模量。煤柱的弹性模量、充填体的压缩率、充填体的厚度直接影响条带充填的地表沉陷；而上覆岩层的弹性模量和条带采宽则是通过煤柱、充填体和上覆岩层的相互作用来实现对地表沉陷的影响。分析上述五种情况下煤柱、充填体上方的垂直应力可以看出，上覆岩层的弹性模量、煤柱的弹性模量对垂直应力影响并不大：如上覆岩层弹性模量从2.5Gpa到5.5Gpa时，煤柱上方的垂直应力从11.7Mpa到12.0 Mpa，改变量仅3%左右；煤柱弹性模量从1Gpa变化到4Gpa，煤柱上方的垂直应力从11.2Mpa到11.7Mpa，改变量约为4%。充填体压缩率、采宽和充填体厚度对煤柱、充填体荷载分布影响要大得多，说明条带采宽、采厚和充填体压缩率是控制条带充填地表沉陷的关键因素，这与6.3节的结论相一致。级配实验方案（原料来源于河南某矿的矸石山）本实验研究所选用的实验材料取自河南某矿的矸石山，所取矸石主要为泥岩。根据该矿矸石充填破碎要求，破碎矸石粒径均控制在100 mm以下，矸石粒径级配可以通过破碎机进行控制。因此，结合该矿矸石充填的实际情况，把破碎之后的矸石实际粒径按粒径由小到大进行划分，以直径40 mm， 40 mm70 mm，70 mm100 mm划分成3种粒度级别，分别记为X1、X2、X3。破碎矸石的粒径分级见表1。不同粒径配比的矸石散体具有不同的压实特性，根据破碎矸石分级的实际情况，提出了7个具有典型代表意义的级配方案(见表2)。本次压缩实验全部在型号为AW500的微型控制电液伺服机上进行。采用大口径加载容器:其内径为360 mm，高度为650 mm，压缩面积为01m2。整套试验共进行了7组测试，轴向应力为8MPa和14 MPa时，试验数据结果见表3。(矸石充填材料压缩变形的试验研究 张进红1，郁钟铭2，苏勇松3)矸石在原始级配（自然状态）的条件下压实率最小。定义压实度为充填材料在压实后的体积Vys与原始松散状态下的总体积V，之比来表示。压实率为充填材料减小的体积与原松散状态下的总体积V之比。矸石-粉煤灰充填材料的压实变形过程可以分为三个阶段：快速变形阶段，缓步变形阶段和变形平稳阶段（张吉雄，矸石直接充填综采岩层移动控制及其应用研究）同时,综合以上实验方案可以看出,当侧压小时,压缩率大;当侧压大时,压缩率小.而压缩量在70 mm (压缩率2545% )量级的3个方案侧压值也较大,分别为872, 797和1217MPa.级配好的充填材料具有较大密实度,侧压曲线波动小,侧压力值大,有利于提高充填体和围岩的稳定性.（矸石充填材料压缩仿真实验研究）充填矸石的沉缩量C=矸石的充填高度矸石沉缩系数，一般经过破碎的矸石沉缩系数在025045之间。(煤矿矸石充填开采地表变形规律分析)充填率与巷道倾角的关系结合实际观测矸石充填后的堆积角(安息角)约为3641,经模拟,利用现有充填工艺,巷道充填率与巷道倾角关系如图2所示从图2可以看出,在近似水平巷道的俯斜充填率约为92%94%,俯斜13的巷道充填率约为98%。总体而言,在缓倾