充填矸石夯實(shí)模擬試驗(yàn)臺(tái)的研制及應(yīng)用

李新旺，趙新元，程立朝，秦義嶺

(1.河北工程大學(xué) 礦業(yè)與測繪工程學(xué)院，河北 邯鄲 056038； 2.河北工程大學(xué) 河北省高校煤炭資源開發(fā)與建設(shè)應(yīng)用技術(shù)研發(fā)中心，河北 邯鄲 056038)

矸石充填材料的壓實(shí)特性關(guān)系到矸石充填開采的充填效果[1]。為了研究矸石充填材料的壓實(shí)特性，很多學(xué)者專家相繼研發(fā)和采用了各種功能各異的試驗(yàn)裝置。胡炳南等[2]制造了一套壁厚10mm的無縫鋼管作為盛放矸石的大容器，并專門進(jìn)行了仿真內(nèi)襯試制。張吉雄[3]采用了內(nèi)徑128mm、筒深165mm的特制鋼桶，并用電液伺服巖石力學(xué)試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行壓實(shí)。在馬占國等[4]的壓實(shí)實(shí)驗(yàn)中采用的試驗(yàn)?zāi)ゾ邽?5#鋼制作的壁厚16.5mm的鋼桶。姜振泉等[5]采用了自行設(shè)計(jì)的特制容器進(jìn)行了煤矸石的壓密實(shí)驗(yàn)。錢志等[6]的模擬壓縮試驗(yàn)采用了內(nèi)徑220m、壁厚30mm的鋼結(jié)構(gòu)圓筒。王文等[7]在研究粒徑級(jí)配對矸石壓實(shí)變形影響的試驗(yàn)中，自制了由兩個(gè)可拆分半圓筒組成的壓實(shí)試驗(yàn)?zāi)＞?，并申請了專利。蘇承東等[8]利用45#鋼加工制作了壁厚12mm、內(nèi)徑為80cm的壓實(shí)試驗(yàn)裝置。黃艷利[9]利用Q235無縫鋼管自主設(shè)計(jì)制作了一套外徑159mm、壁厚17mm的壓實(shí)鋼筒，利用壓力機(jī)對鋼筒內(nèi)的矸石材料進(jìn)行壓縮壓實(shí)。還有很多前輩在做矸石材料的壓實(shí)試驗(yàn)中自行制作或采用了各種壓實(shí)試驗(yàn)裝置[10-12]。但這些壓實(shí)試驗(yàn)裝置大多采用圓筒設(shè)計(jì)，并配合壓力試驗(yàn)機(jī)對矸石材料進(jìn)行壓實(shí)試驗(yàn)。而鮮有前人對限定空間下的矸石材料在橫向推壓下的固結(jié)成型特性進(jìn)行研究，主要原因是缺少對矸石材料進(jìn)行橫向推壓的試驗(yàn)裝置。

在很多綜采工作面充填工作中，為解決充填過程生產(chǎn)效率低和充填質(zhì)量差的問題，設(shè)計(jì)了自動(dòng)充填搗實(shí)機(jī)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)多架同時(shí)充填搗實(shí)[13]。它已經(jīng)成為充填支架的重要組成部分[14]。盡管各地煤礦充填工作面充填液壓支架搗實(shí)裝置的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)不盡相同[15-17]，但工作原理和使用過程基本一致。本文作者基于充填支架搗實(shí)機(jī)構(gòu)的工作原理和過程，模擬充填工作面的組成部分，設(shè)計(jì)研制了矸石充填夯實(shí)模擬試驗(yàn)臺(tái)，并利用該試驗(yàn)臺(tái)，分析研究了推實(shí)力和含水量對矸石散體固結(jié)成型特性的影響規(guī)律，為矸石充填工程實(shí)踐提供一定參考意義。

1 試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)原理和結(jié)構(gòu)組成

1.1 試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)原理

充填矸石夯實(shí)模擬試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)原理如圖1 所示。從圖1可知，該模擬試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)原理與煤礦充填液壓支架的夯實(shí)機(jī)構(gòu)工作原理具有一定相似性。在矸石充入采空區(qū)后，夯實(shí)機(jī)構(gòu)推動(dòng)推實(shí)板對矸石料進(jìn)行推搗夯實(shí)，在矸石推搗和接頂?shù)幕A(chǔ)上增加矸石料的致密度，提高充填矸石的抗壓能力和充填質(zhì)量。在對裝置的設(shè)計(jì)和制作過程中，由于考慮到一些支架部件的復(fù)雜性和適用性，在參照和模仿充填夯實(shí)工作面的基礎(chǔ)上，對充填支架的夯實(shí)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了簡化，對充填夯實(shí)空間進(jìn)行了按比例縮小，以適應(yīng)實(shí)驗(yàn)操作的要求。

圖1 試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)原理示意圖

在采空空間充填一定量的矸石之后，夯實(shí)機(jī)構(gòu)推動(dòng)推實(shí)板對充填矸石進(jìn)行夯實(shí)推壓。原先松散的矸石堆在推實(shí)板的推壓下變得致密，并開始表現(xiàn)出一定固結(jié)成型特性。實(shí)驗(yàn)過程中測算出矸石散體的安息角和體積應(yīng)變，利用這兩個(gè)變形參數(shù)來量化反映矸石散體的固結(jié)成型特性。矸石散體的自然安息角越大，體積應(yīng)變越大，表明矸石散體的壓縮固結(jié)特性越顯著。其中，安息角是物料自由散落到平面上所形成的堆積體斜面與底邊之間的夾角，體積應(yīng)變定義為推壓后變化的體積與初始體積的比值，即：

式中，ε為體積應(yīng)變；V始為剛放入矸石散體的初始體積，cm3；V推為每次橫向推壓之后的體積，cm3。

1.2 試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)組成

充填矸石夯實(shí)模擬試驗(yàn)臺(tái)主要由鋼板、移動(dòng)墊塊、玻璃板和夯實(shí)系統(tǒng)等組成，如圖2所示。兩側(cè)和前方鋼板固定圍成一個(gè)80cm×50cm×20cm(長×寬×高)區(qū)域的操作臺(tái)，操作臺(tái)后側(cè)用三條移動(dòng)鋼板固定，一條移動(dòng)鋼板寬度為一個(gè)夯實(shí)步距的模擬寬度4cm，通過增減移動(dòng)鋼板數(shù)量，實(shí)現(xiàn)不同的夯實(shí)步距。移動(dòng)墊塊采用方正的高強(qiáng)度的大理石塊制作，較大的移動(dòng)墊塊規(guī)格為30cm×20cm×20cm，墊塊緊貼鋼板和夯實(shí)系統(tǒng)，較小的移動(dòng)墊塊規(guī)格為30cm×5cm×20cm，通過增減較小的移動(dòng)墊塊數(shù)量，實(shí)現(xiàn)不同的夯實(shí)寬度。玻璃板規(guī)格為60cm×25cm×3cm，用螺栓固定蓋在試驗(yàn)臺(tái)前部鋼板上，便于安裝拆卸，也方便觀察夯實(shí)空間里充填物料的成型狀態(tài)。

圖2 充填矸石夯實(shí)模擬試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

夯實(shí)系統(tǒng)是整個(gè)模擬試驗(yàn)臺(tái)最重要的組成部分，主要提供試驗(yàn)臺(tái)的夯實(shí)動(dòng)力，其設(shè)計(jì)原理與充填支架的夯實(shí)機(jī)構(gòu)工作原理基本相似，夯實(shí)系統(tǒng)實(shí)物如圖3所示。夯實(shí)系統(tǒng)主要有千斤頂箱和套在千斤頂活塞桿上的推實(shí)板。推實(shí)板規(guī)格按推壓方式不同可分為兩種，一種為20cm×20cm，厚度為1cm，采取一次推壓方式對充填物料進(jìn)行推實(shí)；另一種為20cm×10cm，厚度1cm，采取上下變角度推壓方式進(jìn)行推實(shí)。千斤頂箱是模擬試驗(yàn)臺(tái)的動(dòng)力裝置，箱體規(guī)格為40cm×20cm×30cm，箱體采用1cm鋼板焊制而成。

圖3 夯實(shí)系統(tǒng)實(shí)物圖

千斤頂箱體內(nèi)部構(gòu)造如圖4所示。千斤頂箱內(nèi)部主要由千斤頂本體、側(cè)向限位板、旋轉(zhuǎn)螺紋桿、球形鉸接頭、鉸接頭支座和輸油軟管等部件組成。其中，千斤頂本體長度30cm，外直徑6cm，本體內(nèi)活塞桿直徑4cm，最大行程20cm，本體橫向置于千斤頂箱體下部，前端伸出箱體約2cm，千斤頂?shù)妆P通過球形鉸接頭與鉸接頭支座連接。千斤頂本體距離箱體底面有1.3cm。千斤頂本體中部固定一卡環(huán)，卡環(huán)上部焊接側(cè)向限位板和連接桿。側(cè)向限位板可以限制千斤頂本體左右移動(dòng)，連接桿上端采用螺帽與旋轉(zhuǎn)螺紋桿連接。旋轉(zhuǎn)螺紋桿上部與旋轉(zhuǎn)手柄連接，使用過程中，通過轉(zhuǎn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)手柄，利用擰螺絲方式，使連接桿緩慢向上，進(jìn)而帶動(dòng)千斤頂本體以球形鉸接頭為中心實(shí)現(xiàn)上下轉(zhuǎn)動(dòng)，并可以多角度固定。千斤頂本體最大抬升角度約30°，完全滿足模擬試驗(yàn)的要求。

圖4 千斤頂箱體內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

2 試驗(yàn)實(shí)例

為驗(yàn)證充填矸石夯實(shí)模擬試驗(yàn)臺(tái)的實(shí)用性和可靠性，本文利用該試驗(yàn)臺(tái)對矸石散體進(jìn)行了橫向推壓試驗(yàn)，研究了不同推實(shí)力和不同含水量對矸石散體的固結(jié)成型特性的影響規(guī)律。

2.1 試驗(yàn)材料選取

隨機(jī)選取山西某礦經(jīng)過粗碎后的原生矸石，分別用10mm、20mm、30mm、40mm、50mm五種規(guī)格的分級(jí)篩篩分，得到原生矸石不同粒徑區(qū)間的質(zhì)量占比。然后將原生矸石進(jìn)行細(xì)碎，用網(wǎng)孔直徑為0.63mm、1.25mm、2.5mm、3.5mm的篩網(wǎng)進(jìn)行篩分，按照相應(yīng)的原生矸石各粒徑區(qū)間占比來配制試驗(yàn)材料。試驗(yàn)材料不同粒徑區(qū)間質(zhì)量占比見表1。

表1 試驗(yàn)材料不同粒徑區(qū)間質(zhì)量占比

2.2 試驗(yàn)方案和操作過程

2.2.1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

通過利用充填矸石模擬試驗(yàn)臺(tái)，研究不同推實(shí)力和不同含水量對質(zhì)量為5kg的矸石材料的固結(jié)成型特性的影響規(guī)律，運(yùn)用正交試驗(yàn)方法設(shè)計(jì)了一套試驗(yàn)方案，見表2。

表2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)表

2.2.2 試驗(yàn)操作過程

試驗(yàn)操作過程以含水量1%的矸石推壓試驗(yàn)為例。試驗(yàn)操作過程如圖5所示：首先將試驗(yàn)臺(tái)夯實(shí)空間寬度調(diào)整為20cm，三條移動(dòng)鋼板全部固定置于夯實(shí)系統(tǒng)后方，裝上推實(shí)板，使試驗(yàn)臺(tái)模擬夯實(shí)空間長度為20cm(如圖5(a))，然后稱量出試驗(yàn)用的矸石材料5kg，加入矸石質(zhì)量1%的自來水，攪拌均勻(如圖5(b))，打開玻璃板，用方形鏟在距離充填夯實(shí)空間底面17cm、距離前方鋼板4cm處緩慢倒入矸石散體。待矸石散體全部倒入之后(如圖5(c))，用直尺和坡度儀等工具測算出矸石散體的自然安息角和初始體積(如圖5(d))，然后蓋上玻璃板，用螺栓固定。啟動(dòng)千斤頂，使活塞桿緩慢伸出，推動(dòng)推實(shí)板對矸石散體進(jìn)行推壓，觀察液壓表讀數(shù)，當(dāng)推壓力分別為2MPa、4MPa、6MPa和8MPa時(shí)，分別停留5s，之后撤回推實(shí)板，觀察不同推實(shí)力推壓之后的矸石散體的固結(jié)成型狀態(tài)(如圖5(e))，最后分別測算在不同推實(shí)力下的矸石散體自然安息角和推實(shí)體積(如圖5(f))。依此類推，分別測算出矸石散體含水量為2%、3%、4%、5%時(shí)，在推實(shí)力分別為2MPa、4MPa、6MPa和8MPa情況下的自然安息角和推實(shí)體積。

圖5 試驗(yàn)操作過程

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

通過對試驗(yàn)編號(hào)1—24的方案進(jìn)行試驗(yàn)，在矸石散體中加入不同質(zhì)量的自來水，并在不同推實(shí)力的情況下，分別測算矸石散體的自然安息角和體積應(yīng)變，得到的試驗(yàn)結(jié)果如圖6和圖7所示。

圖6 不同含水量的矸石散體自然安息角圖

圖7 不同含水量的矸石散體體積應(yīng)變圖

1)由圖6可知，含水量小于3%時(shí)，矸石散體的自然安息角隨著推實(shí)力的增大而不斷增大，直至達(dá)到90°。推實(shí)力相同時(shí)，隨著含水量的增大，矸石散體的安息角也逐漸增大。當(dāng)含水量小于2%時(shí)，自然安息角增加較為緩慢。而當(dāng)含水量達(dá)到3%時(shí)，在不同推實(shí)力的情況下，矸石散體的自然安息角快速增大至90°。通過觀察，此時(shí)矸石散體開始固結(jié)成一個(gè)較為規(guī)整的矩形體。

2)由圖7可知，不同推實(shí)力情況下的矸石散體經(jīng)歷了體積應(yīng)變由緩慢增大到快速增大，最后平穩(wěn)增大的過程。含水量3%是矸石散體體積應(yīng)變由緩慢增大到快速增大的拐點(diǎn)。當(dāng)含水量相同時(shí)，體積應(yīng)變隨著推實(shí)力的增大而不斷增大。所以，通過上述分析知，隨著推實(shí)力和含水量的增加，矸石散體的固結(jié)成型特性表現(xiàn)得越發(fā)明顯。

3)綜上所述，利用充填矸石夯實(shí)模擬試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行有關(guān)矸石散體固結(jié)成型特性的試驗(yàn)操作，可以研究不同推實(shí)力和含水量對矸石散體的固結(jié)成型特性的影響規(guī)律，從而為矸石充填的工業(yè)性試驗(yàn)提供一定參考。

4 結(jié) 論

1)充填矸石夯實(shí)模擬試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，加工成本低，可靠性好，整個(gè)試驗(yàn)臺(tái)與現(xiàn)場矸石充填和夯實(shí)結(jié)構(gòu)具有相似性，可以最大限度的還原井下矸石充填夯實(shí)的工作過程。

2)夯實(shí)系統(tǒng)是整個(gè)模擬試驗(yàn)臺(tái)的重要組成部分，主要提供對充填材料的夯實(shí)推壓作用，設(shè)計(jì)原理與充填支架的夯實(shí)機(jī)構(gòu)工作原理基本相似。

3)通過利用該模擬試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行矸石散體固結(jié)成型特性的試驗(yàn)操作，研究了推實(shí)力和含水量對矸石散體的固結(jié)成型特性的影響規(guī)律，得出推實(shí)力和含水量對矸石散體的固結(jié)成型特性影響呈現(xiàn)正相關(guān)，且推實(shí)力大于2MPa、含水量為3%時(shí)，矸石散體開始表現(xiàn)出明顯的固結(jié)成型特性。因此，利用該模擬試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行試驗(yàn)操作，可以研究充填材料在限定空間下，通過橫向推壓所表現(xiàn)出的固結(jié)成型特性的變化規(guī)律，對現(xiàn)場矸石充填開采和工業(yè)性試驗(yàn)具有一定參考意義。