充填矸石夯实模拟试验台的研制及应用

李新旺，赵新元，程立朝，秦义岭

(1.河北工程大学 矿业与测绘工程学院，河北 邯郸 056038； 2.河北工程大学 河北省高校煤炭资源开发与建设应用技术研发中心，河北 邯郸 056038)

矸石充填材料的压实特性关系到矸石充填开采的充填效果[1]。为了研究矸石充填材料的压实特性，很多学者专家相继研发和采用了各种功能各异的试验装置。胡炳南等[2]制造了一套壁厚10mm的无缝钢管作为盛放矸石的大容器，并专门进行了仿真内衬试制。张吉雄[3]采用了内径128mm、筒深165mm的特制钢桶，并用电液伺服岩石力学试验机进行压实。在马占国等[4]的压实实验中采用的试验磨具为45#钢制作的壁厚16.5mm的钢桶。姜振泉等[5]采用了自行设计的特制容器进行了煤矸石的压密实验。钱志等[6]的模拟压缩试验采用了内径220m、壁厚30mm的钢结构圆筒。王文等[7]在研究粒径级配对矸石压实变形影响的试验中，自制了由两个可拆分半圆筒组成的压实试验模具，并申请了专利。苏承东等[8]利用45#钢加工制作了壁厚12mm、内径为80cm的压实试验装置。黄艳利[9]利用Q235无缝钢管自主设计制作了一套外径159mm、壁厚17mm的压实钢筒，利用压力机对钢筒内的矸石材料进行压缩压实。还有很多前辈在做矸石材料的压实试验中自行制作或采用了各种压实试验装置[10-12]。但这些压实试验装置大多采用圆筒设计，并配合压力试验机对矸石材料进行压实试验。而鲜有前人对限定空间下的矸石材料在横向推压下的固结成型特性进行研究，主要原因是缺少对矸石材料进行横向推压的试验装置。

在很多综采工作面充填工作中，为解决充填过程生产效率低和充填质量差的问题，设计了自动充填捣实机构，可以实现多架同时充填捣实[13]。它已经成为充填支架的重要组成部分[14]。尽管各地煤矿充填工作面充填液压支架捣实装置的设计结构不尽相同[15-17]，但工作原理和使用过程基本一致。本文作者基于充填支架捣实机构的工作原理和过程，模拟充填工作面的组成部分，设计研制了矸石充填夯实模拟试验台，并利用该试验台，分析研究了推实力和含水量对矸石散体固结成型特性的影响规律，为矸石充填工程实践提供一定参考意义。

1 试验装置设计原理和结构组成

1.1 试验装置设计原理

充填矸石夯实模拟试验台的设计原理如图1 所示。从图1可知，该模拟试验台设计原理与煤矿充填液压支架的夯实机构工作原理具有一定相似性。在矸石充入采空区后，夯实机构推动推实板对矸石料进行推捣夯实，在矸石推捣和接顶的基础上增加矸石料的致密度，提高充填矸石的抗压能力和充填质量。在对装置的设计和制作过程中，由于考虑到一些支架部件的复杂性和适用性，在参照和模仿充填夯实工作面的基础上，对充填支架的夯实机构进行了简化，对充填夯实空间进行了按比例缩小，以适应实验操作的要求。

图1 试验台设计原理示意图

在采空空间充填一定量的矸石之后，夯实机构推动推实板对充填矸石进行夯实推压。原先松散的矸石堆在推实板的推压下变得致密，并开始表现出一定固结成型特性。实验过程中测算出矸石散体的安息角和体积应变，利用这两个变形参数来量化反映矸石散体的固结成型特性。矸石散体的自然安息角越大，体积应变越大，表明矸石散体的压缩固结特性越显著。其中，安息角是物料自由散落到平面上所形成的堆积体斜面与底边之间的夹角，体积应变定义为推压后变化的体积与初始体积的比值，即：

式中，ε为体积应变；V始为刚放入矸石散体的初始体积，cm3；V推为每次横向推压之后的体积，cm3。

1.2 试验台结构组成

充填矸石夯实模拟试验台主要由钢板、移动垫块、玻璃板和夯实系统等组成，如图2所示。两侧和前方钢板固定围成一个80cm×50cm×20cm(长×宽×高)区域的操作台，操作台后侧用三条移动钢板固定，一条移动钢板宽度为一个夯实步距的模拟宽度4cm，通过增减移动钢板数量，实现不同的夯实步距。移动垫块采用方正的高强度的大理石块制作，较大的移动垫块规格为30cm×20cm×20cm，垫块紧贴钢板和夯实系统，较小的移动垫块规格为30cm×5cm×20cm，通过增减较小的移动垫块数量，实现不同的夯实宽度。玻璃板规格为60cm×25cm×3cm，用螺栓固定盖在试验台前部钢板上，便于安装拆卸，也方便观察夯实空间里充填物料的成型状态。

图2 充填矸石夯实模拟试验台结构图

夯实系统是整个模拟试验台最重要的组成部分，主要提供试验台的夯实动力，其设计原理与充填支架的夯实机构工作原理基本相似，夯实系统实物如图3所示。夯实系统主要有千斤顶箱和套在千斤顶活塞杆上的推实板。推实板规格按推压方式不同可分为两种，一种为20cm×20cm，厚度为1cm，采取一次推压方式对充填物料进行推实；另一种为20cm×10cm，厚度1cm，采取上下变角度推压方式进行推实。千斤顶箱是模拟试验台的动力装置，箱体规格为40cm×20cm×30cm，箱体采用1cm钢板焊制而成。

图3 夯实系统实物图

千斤顶箱体内部构造如图4所示。千斤顶箱内部主要由千斤顶本体、侧向限位板、旋转螺纹杆、球形铰接头、铰接头支座和输油软管等部件组成。其中，千斤顶本体长度30cm，外直径6cm，本体内活塞杆直径4cm，最大行程20cm，本体横向置于千斤顶箱体下部，前端伸出箱体约2cm，千斤顶底盘通过球形铰接头与铰接头支座连接。千斤顶本体距离箱体底面有1.3cm。千斤顶本体中部固定一卡环，卡环上部焊接侧向限位板和连接杆。侧向限位板可以限制千斤顶本体左右移动，连接杆上端采用螺帽与旋转螺纹杆连接。旋转螺纹杆上部与旋转手柄连接，使用过程中，通过转动旋转手柄，利用拧螺丝方式，使连接杆缓慢向上，进而带动千斤顶本体以球形铰接头为中心实现上下转动，并可以多角度固定。千斤顶本体最大抬升角度约30°，完全满足模拟试验的要求。

图4 千斤顶箱体内部结构图

2 试验实例

为验证充填矸石夯实模拟试验台的实用性和可靠性，本文利用该试验台对矸石散体进行了横向推压试验，研究了不同推实力和不同含水量对矸石散体的固结成型特性的影响规律。

2.1 试验材料选取

随机选取山西某矿经过粗碎后的原生矸石，分别用10mm、20mm、30mm、40mm、50mm五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。然后将原生矸石进行细碎，用网孔直径为0.63mm、1.25mm、2.5mm、3.5mm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。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

2.2 试验方案和操作过程

2.2.1 试验方案设计

通过利用充填矸石模拟试验台，研究不同推实力和不同含水量对质量为5kg的矸石材料的固结成型特性的影响规律，运用正交试验方法设计了一套试验方案，见表2。

表2 试验方案设计表

2.2.2 试验操作过程

试验操作过程以含水量1%的矸石推压试验为例。试验操作过程如图5所示：首先将试验台夯实空间宽度调整为20cm，三条移动钢板全部固定置于夯实系统后方，装上推实板，使试验台模拟夯实空间长度为20cm(如图5(a))，然后称量出试验用的矸石材料5kg，加入矸石质量1%的自来水，搅拌均匀(如图5(b))，打开玻璃板，用方形铲在距离充填夯实空间底面17cm、距离前方钢板4cm处缓慢倒入矸石散体。待矸石散体全部倒入之后(如图5(c))，用直尺和坡度仪等工具测算出矸石散体的自然安息角和初始体积(如图5(d))，然后盖上玻璃板，用螺栓固定。启动千斤顶，使活塞杆缓慢伸出，推动推实板对矸石散体进行推压，观察液压表读数，当推压力分别为2MPa、4MPa、6MPa和8MPa时，分别停留5s，之后撤回推实板，观察不同推实力推压之后的矸石散体的固结成型状态(如图5(e))，最后分别测算在不同推实力下的矸石散体自然安息角和推实体积(如图5(f))。依此类推，分别测算出矸石散体含水量为2%、3%、4%、5%时，在推实力分别为2MPa、4MPa、6MPa和8MPa情况下的自然安息角和推实体积。

图5 试验操作过程

3 试验结果及分析

通过对试验编号1—24的方案进行试验，在矸石散体中加入不同质量的自来水，并在不同推实力的情况下，分别测算矸石散体的自然安息角和体积应变，得到的试验结果如图6和图7所示。

图6 不同含水量的矸石散体自然安息角图

图7 不同含水量的矸石散体体积应变图

1)由图6可知，含水量小于3%时，矸石散体的自然安息角随着推实力的增大而不断增大，直至达到90°。推实力相同时，随着含水量的增大，矸石散体的安息角也逐渐增大。当含水量小于2%时，自然安息角增加较为缓慢。而当含水量达到3%时，在不同推实力的情况下，矸石散体的自然安息角快速增大至90°。通过观察，此时矸石散体开始固结成一个较为规整的矩形体。

2)由图7可知，不同推实力情况下的矸石散体经历了体积应变由缓慢增大到快速增大，最后平稳增大的过程。含水量3%是矸石散体体积应变由缓慢增大到快速增大的拐点。当含水量相同时，体积应变随着推实力的增大而不断增大。所以，通过上述分析知，随着推实力和含水量的增加，矸石散体的固结成型特性表现得越发明显。

3)综上所述，利用充填矸石夯实模拟试验台进行有关矸石散体固结成型特性的试验操作，可以研究不同推实力和含水量对矸石散体的固结成型特性的影响规律，从而为矸石充填的工业性试验提供一定参考。

4 结 论

1)充填矸石夯实模拟试验台结构简单，操作方便，加工成本低，可靠性好，整个试验台与现场矸石充填和夯实结构具有相似性，可以最大限度的还原井下矸石充填夯实的工作过程。

2)夯实系统是整个模拟试验台的重要组成部分，主要提供对充填材料的夯实推压作用，设计原理与充填支架的夯实机构工作原理基本相似。

3)通过利用该模拟试验台进行矸石散体固结成型特性的试验操作，研究了推实力和含水量对矸石散体的固结成型特性的影响规律，得出推实力和含水量对矸石散体的固结成型特性影响呈现正相关，且推实力大于2MPa、含水量为3%时，矸石散体开始表现出明显的固结成型特性。因此，利用该模拟试验台进行试验操作，可以研究充填材料在限定空间下，通过横向推压所表现出的固结成型特性的变化规律，对现场矸石充填开采和工业性试验具有一定参考意义。