0 引 言
矸石充填是一种绿色的开采技术，利用大量废弃的矸石充填采空区来控制地表沉陷，体现了绿色开采的理念[1-3]。煤矸石作为矸石充填的骨料，其压实特性关系到矸石充填的效果[4-6]。针对矸石散体的压实特性，胡炳南等[7]采用大容器、大粒径、大载荷和仿真煤体条件进行了矸石压缩试验，总结了压缩过程中应力应变关系曲线和轴压侧压关系曲线的形态及其特征；张吉雄[8]对松散矸石进行了压实试验，得到了压实过程中的应变、压实度与应力的关系；马占国等[9]通过试验总结出了松散煤矸石压实过程中的轴向应变、弹性模量等参数的变化规律，并分析了压实过程变形机理；姜振泉等[10]通过特殊的压密试验探讨了煤矸石压密性与矸块破碎之间的关系；钱志等[11]对连续级配矸石进行压缩力学试验，得出原生矸石粒径与矸石压缩率的关系等，还有众多专家学者也进行了相关分析研究[12-15]。这些成果大多都研究了充填矸石在竖向压力下的一些侧限压实承载特性，而对充填矸石散体在顶板限定下的横向推实特性鲜有研究。
充填开采过程中，由于充填支架和围岩的共同支撑作用，工作面后方一定距离内顶板不会出现瞬时下沉和垮落，而在短期内形成顶板限定条件下的充填矸石推实空间[16-17]。在该充填矸石推实空间内，充填支架上的夯实机构对充填矸石进行横向推压，使松散的充填材料堆积、受压，与顶板连接，以增加充填体的密实性，提高充填质量[18-20]；对于松散矸石，夯实机构回退后，推实后的散体会自然放落，形成一定的放落角，体积较施加横向推力前也会发生变化，当松散矸石与其它胶黏材料混合时，在横向推压作用下，充填质量会明显提高。而实际充填现场，充填矸石在限定空间下的横向推实特性通常受多种因素影响，比如放料步距、推力、含水量等。
本文基于相似模拟原理，自主设计了一套充填矸石横向推实模拟试验台，分别研究放料步距、横向推力、含水量以及黄土掺量等因素对矸石散体在限定顶板条件下的横向推实特性的影响规律，对提高充填矿井采空区矸石充填质量和经济效益具有重要的理论研究价值和指导意义。
1 试验台设计
1.1 试验原型及相似比
模拟背景为山西某矿充填工作面。该充填工作面是近水平煤层开采，平均采高为3 m，顶板为砂岩，硬度大，断层少。工作面充填液压支架宽度为1.5 m，其中夯实机构上的挡矸板和推实板宽度均为1.5 m，高度为0.75 m，推实板对充填体采用上下夯实方式。该矿充填矸石容重为25 kN/m3 ，粒径范围为0～50 mm。
根据相似理论，并依据现场实际情况和试验模型条件，建立模拟相似比如下：
CL=LH/LM
其中：CL为几何相似比；LH为原型尺寸，m；LM为模型尺寸，m。计算可得CL=15。
Cγ=γH/γM
其中：Cγ为容重相似比；γH为实际充填材料容重，kN/m3；γM为试验材料容重，kN/m3。计算可得Cγ=1.4。
Cσ=CLCγ
其中：Cσ为应力相似比；CL为几何相似比；Cγ为容重相似比。计算可得Cσ=21。
1.2 试验台结构设计
为了模拟充填工作面的夯实过程，自行设计制作了试验台。该试验台采用高强度厚钢板和分体式千斤顶制作而成，可模拟不同放料高度、不同充填步距、不同采空区宽度等试验条件。三块高强度厚钢板依次叠放，上方根据需要覆盖高强玻璃板，加上高强度移动垫块，使其紧密围成一个矩形半密闭空间，空间横向可承受最大30 kN的推力。分体式千斤顶模拟充填支架的夯实机构，是整个试验台的推压装置，千斤顶缸体前端套有高强度钢板，可对试验材料进行横向推压。试验台结构简图如图1所示。根据1∶15几何相似比，本试验采用的采空区模型尺寸为20 cm×20 cm×20 cm(长×宽×高)，推实板模型尺寸为20 cm×17 cm(宽×高)，模拟全断面横向一次推实，横向推力最大值取10 kN。采空区顶板模型采用厚5 cm高强度玻璃板代替。整个试验台如图2所示。
图1 试验台结构设计
Fig.1 Test bench structure design
图2 模拟试验台
Fig.2 Simulation test bench
2 试验材料选取
随机选取该矿粗碎后的原生矸石，分别用10、20、30、40 mm四种规格的分级筛筛分，得到原生矸石不同粒径区间的质量占比。然后根据相似理论，将原生矸石进行细碎，用网孔直径为0.63、1.25、2.50 mm的筛网进行筛分，按照相应的原生矸石各粒径区间占比来配制试验材料，经测试得到试验材料经压缩后容重为18 kN/m3。试验材料不同粒径区间质量占比见表1。
表1 试验材料不同粒径区间质量占比
Table 1 Quality ratio of different particle size ranges of experimental materials
原生矸石粒径区间/mm试验材料粒径区间/mm质量占比/%0—100—0.6315.6010—200.63—1.2518.1520—3030—401.25—2.5033.6740—502.50—3.5032.58
3 试验方案与过程
3.1 试验方案
为研究放料步距、横向推力、含水量和黄土掺量对矸石散体的横向推实特性的影响，制定试验方案见表2—表5。
表2 放料步距影响因素方案设计
Table 2 Design of influencing factors for discharging steps distance
方案编号放料步距/cm横向推力/kN含水量/%黄土掺量/%A125.000A245.000A365.000A485.000A527.500A647.500A767.500A887.500
表3 横向推力影响因素方案设计
Table 3 Design of influencing factors for pushing force
方案编号放料步距/cm横向推力/kN含水量/%黄土掺量/%B14000B241.2500B342.5000B445.0000B547.5000B6410.0000B76000B861.2500B962.5000B1065.0000B1167.5000B12610.0000
表4 含水量影响因素方案设计
Table 4 Design of influencing factors for water content
方案编号放料步距/cm横向推力/kN含水量/%黄土掺量/%C145.010C245.020C345.030C445.040C545.050C647.510C747.520C847.530C947.540C1047.550
表5 黄土掺量影响因素方案设计
Table 5 Design of influencing factors for loess content
方案编号放料步距/cm横向推力/kN含水量/%黄土掺量/%D042.550D142.552D242.554D342.556D442.558D545.052D645.054D745.056D845.058D947.552D1047.554D1147.556D1247.558
3.2 试验过程
在实际操作过程中，除了控制各因素变量外，其余的试验过程基本相同，在此不再赘述。相同的试验过程一般为混合试验材料→倒入试验台→测算矸石散体初始放落角和初始体积→横向推压矸石散体→撤去推板→测算推压后的推压安息角和体积。以含水量3%对矸石散体推实特性的影响试验过程为例，如图3所示。首先对试验用的矸石材料加入矸石质量3%的自来水，搅拌均匀(图3a)，搅拌混合后的试验材料如图3b所示。然后用方形铲在距离采空区模型底面高17 cm、距离内侧钢板4 cm处开始缓慢倒入矸石散体。待矸石散体堆积高度为17 cm时，停止倾倒(图3c)，测算矸石散体的初始安息角和体积(图3d)，然后千斤顶推动压板对矸石散体进行推压，观察液压表读数，当压力为5.0 kN和7.5 kN时，持续时间5 s，之后撤回压板，观察此时矸石散体的固结成型状态(图3e)，最后分别测算并记录两种横向推力下的矸石散体推压安息角和推实体积(图3f)。依此类似操作，分别测算并记录矸石散体含水量为1%、2%、4%、5%时，在横向推力为5.0 kN和7.5 kN情况下的推压安息角和推实体积。
图3 含水量影响因素试验过程
Fig.3 Test procedure of water content influencing factor
为模拟不同放料步距，试验中在距离内侧钢板2、4、6、8 cm处分别缓慢倒入充填材料；为研究横向推力的影响，将横向推力分别加载到0、1.25、2.50、5.00、7.50、10.00 kN，模拟放料步距分别为4 cm和6 cm两种情况；为研究黄土掺量的影响，含水量定为5%、放料步距定为4 cm，在矸石材料中分别掺入质量分数为0%、2%、4%、6%、8%的黄土，每个黄土掺量条件下分别用2.5、5.0、7.5 kN的横向推力进行压实试验。
试验中，利用测算得到的矸石散体推压安息角和体积变化率这2个变形参数来量化反应各因素对矸石散体的推实特性的影响，矸石散体的推压安息角越大，体积变化率越大，反映出矸石散体的推实成型特性越显著。其中，推压安息角定义为矸石散体在经过一定横向推力的推压并撤回推实板，待稳定之后，矸石物料堆积体斜面与试验台水平面之间的夹角。体积变化率定义为推压后变化的体积与初始体积的比值，即：
式中：A为体积变化率；Vs为刚放入矸石散体的初始体积，cm3；Vt为每次横向推压之后的体积，cm3。
4 试验结果与分析
4.1 放料步距对矸石散体推实特性的影响
通过表2试验方案A1—A8，改变矸石散体的放料步距，并在横向推力为5.0 kN和7.5 kN情况下，分别测算得矸石散体的推压安息角和体积变化率曲线如图4和图5所示。
图4 不同放料步距的矸石散体推压安息角变化
Fig.4 Change of pushing rest angle of gangue in different discharge step distance
图5 不同放料步距的矸石散体体积变化率
Fig.5 Volume change rate of gangue in different discharge step distance
1)在横向推力为5.0 kN和7.5 kN情况下，随着放料步距的增加，矸石散体推压安息角却增加很少，最多仅增加3°左右，影响甚微。
2)在横向推力为5.0 kN和7.5 kN时，矸石散体的体积变化率随着放料步距的增加而不断减小，并趋于稳定。放料步距达到6 cm时，体积变化率开始缓慢减小。放料步距为8 cm时，体积变化率最小，分别为0.118、0.125。
3)放料步距的增加，对矸石散体的横向推压固结成型产生不利影响。
4.2 横向推力对矸石散体推实特性的影响
通过表3试验方案B1—B12，对放料步距分别为4 cm和6 cm的矸石散体施加不同的横向推力，测算得出了矸石散体的推压安息角和体积变化率的数据，将所测数据绘制如图6和图7所示。
图6 不同横向推力下的矸石推压安息角变化
Fig.6 Change of pushing rest angle of gangue under different pushing forces
图7 不同横向推力下的矸石体积变化率
Fig.7 Volume change rate of gangue under different pushing forces
1)矸石散体的推压安息角随着横向推力的增大而呈现增大趋势，但角度增加较小。横向推力为1.25 kN是矸石散体推压安息角缓慢增加的拐点。
2)随着横向推力的增大，矸石散体的体积变化率呈先快速增长后变缓趋势。横向推力1.25 kN是体积变化率由快速增加到缓慢增加的拐点，此时体积变化率为0.08。
3)横向推力的增大有利于矸石散体的固结成型。
4.3 含水量对矸石散体推实特性的影响
通过试验方案B4、B5和C1—C10，研究了矸石含水量对矸石散体固结成型特性的影响作用，得到试验结果如图8和图9所示。
图8 不同含水量的矸石散体推压安息角变化
Fig.8 Change of pushing rest angle of gangue bulk with different water content
图9 不同含水量的矸石散体体积变化率
Fig.9 Volume change rate of gangue with different water content
1)当含水量小于2%时，矸石散体的推压安息角增加缓慢，最大角度为50°左右。当含水量达到3%时，在5.0 kN和7.5 kN横向推力下，矸石散体的推压安息角接近90°并开始固结成较为规整的矩形体(图3e)。
2)矸石散体的体积变化率随着含水量的增加而先缓慢增大后快速增大，3%的含水量是矸石散体变化率曲线斜率变化由小到大的拐点。
3)含水量对矸石散体的推实成型特性影响较为明显，当含水量达到3%，矸石散体开始固结成型。
4.4 黄土掺量对矸石散体推实特性的影响
为了研究黄土掺量对矸石散体推实特性的影响，通过试验C5 、C10和D0—D12，得到试验结果如图10和图11所示。
图10 不同黄土掺量的矸石散体推压安息角变化
Fig.10 Change of pushing rest angle of gangue with different loess content
图11 不同黄土掺量的矸石散体体积变化率
Fig.11 Volume change rate of gangue with different loess content
1)在含水量为5%的矸石散体中加入不同量黄土后，当横向推力大于2.5 kN时，推压安息角均为90°，矸石散体已经固结成密实的矩形体。
2)随着黄土掺量的增加，体积变化率也随着增大。黄土掺量超过4%之后，体积变化率增加变缓，表明黄土掺量过多对矸石散体推实特性影响相对减弱。
3)黄土掺量对矸石散体的推实特性影响显著，但黄土成本高，掺量不宜过多。
5 结 论
1)在横向推力为5.0 kN和7.5 kN下，放料步距的增大对矸石散体的推压安息角影响甚微，而体积变化率却呈现减小趋势，表明增加放料步距不利于矸石散体的横向推压固结成型。
2)横向推力的增大，有助于矸石散体的固结成型。横向推力1.25 kN是推压安息角增大和体积变化率斜率变缓的拐点。
3)含水量对于矸石散体的推实特性影响较为明显。在5.0 kN和7.5 kN横向推力下，当含水量达到3%，矸石散体开始固结成型。
4)黄土掺量对矸石散体的推实特性影响最显著，黄土掺量超过4%之后，对矸石散体推实特性的影响开始相对减弱。
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