固體充填三效關(guān)系的定量表征方法

固體充填三效關(guān)系的定量表征方法

自固碳開(kāi)采技術(shù)發(fā)展以來(lái)，已經(jīng)歷了從混合填充、綜合機(jī)械固體填充、綜合機(jī)械化固體填充和分散開(kāi)采、固碳開(kāi)采和沉淀池開(kāi)采的綜合開(kāi)采。在固體充填開(kāi)采中，通常用充實(shí)率理論設(shè)計(jì)值來(lái)給定巖層控制的要求并反饋?zhàn)罱K的巖層控制效果固體密實(shí)充填開(kāi)采除了割煤工序以外，還需要進(jìn)行充填材料的運(yùn)輸、落料和夯實(shí)作業(yè)，導(dǎo)致固體充填開(kāi)采效率和效益明顯低于垮落法開(kāi)采。充填效率和效益一直是制約充填開(kāi)采的關(guān)鍵因素，實(shí)現(xiàn)矸石等固廢高效處理、提高充填效益和實(shí)現(xiàn)充填開(kāi)采參數(shù)的精準(zhǔn)設(shè)計(jì)是充填開(kāi)采的重要發(fā)展方向在固體充填效果控制方面，學(xué)者們提出了充填材料的測(cè)試及優(yōu)化方法，改進(jìn)了充填液壓支架及夯實(shí)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)，提出了充實(shí)率、充填率、頂板提前下沉量、夯實(shí)離頂距等表征充填效果的指標(biāo)及其計(jì)算方法筆者擬對(duì)充填開(kāi)采“三效”的定量表征和優(yōu)化控制方法進(jìn)行研究，可為充填工藝參數(shù)合理設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)，能夠保證充填效果并提高充填效率和效益，對(duì)充填開(kāi)采巖層精準(zhǔn)控制具有理論指導(dǎo)意義。1基于開(kāi)采“三效”關(guān)系的構(gòu)建1.1充填效果表征固體充填開(kāi)采按照充填的密實(shí)程度可分為密實(shí)充填和非密實(shí)充填。其中，非密實(shí)充填對(duì)巖層的控制效果要求較低，為了高效處理固體廢棄物，一般僅落料不夯實(shí)。而密實(shí)充填一般用于“三下”開(kāi)采，需要對(duì)卸落的充填材料進(jìn)行夯實(shí)以保證充填體密實(shí)度。因此，密實(shí)充填和非密實(shí)充填在充填效果、充填效率和充填效益的表征方法上存在巨大差異。(1)非密實(shí)充填。以固體廢棄物處理為需求的非密實(shí)充填，其“三效”關(guān)系主要以充填量為紐帶進(jìn)行構(gòu)建。充填效果取決于充填量與采煤量的比值，即充采比;充填效率主要受到充填量和落料時(shí)間影響;充填效益主要與充填效率、采煤效率及噸煤利潤(rùn)相關(guān)。(2)密實(shí)充填。固體密實(shí)充填的“三效”關(guān)系以散體充填材料夯實(shí)為致密充填體的過(guò)程為紐帶，與充填工藝及充填體致密狀態(tài)緊密相關(guān)。如圖1所示，在給定的開(kāi)采條件下，充填效果主要受充填工藝和充填材料特性的影響，充填效率主要與充填材料充入量及充填工藝用時(shí)相關(guān)，而充填效益可通過(guò)結(jié)合充采質(zhì)量比、采煤效率、噸煤利潤(rùn)及矸石處理節(jié)約費(fèi)等表征?！叭А钡膬?nèi)涵具體如下:(1)充填效果。充填效果具有多種表征方法，包括地表變形、基本頂破斷狀態(tài)和導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育范圍等(2)充填效率。與采煤效率表示煤炭的采出效率類似，充填效率是指充填體的充入效率，筆者利用單位時(shí)間充入的充填材料質(zhì)量來(lái)表征。這種表征方式可以消除不同工作面采高、面長(zhǎng)、截深等開(kāi)采參數(shù)差異造成的影響，可以實(shí)現(xiàn)不同布置參數(shù)充填面和同一充填面不同開(kāi)采階段的充填效率對(duì)比。(3)充填效益。充填效益表示充填工作面采煤、固體廢棄物處理及生態(tài)環(huán)境保護(hù)等綜合效益。筆者僅利用充填工作面采煤效益來(lái)表征充填效益進(jìn)行分析，即單位時(shí)間內(nèi)采出煤炭產(chǎn)生的效益。充填效益與充填效率之間的聯(lián)系在于，單位時(shí)間內(nèi)充入的充填材料質(zhì)量和采煤量之間存在一個(gè)比值，即充采質(zhì)量比?！叭А敝g的關(guān)系可通過(guò)以下方法求解:(1)求解充填效果與充填工藝的函數(shù)關(guān)系;(2)求解充填工藝參數(shù)與充填時(shí)間的關(guān)系;(3)計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)充入的充填材料質(zhì)量，即充填效率;(4)結(jié)合采充質(zhì)量比、充填效率和噸煤利潤(rùn)等求解充填效益。1.2充填效果表征方法由于以固體廢棄物處理為需求的非密實(shí)充填一般對(duì)充填效果沒(méi)有要求，而主要側(cè)重充填效率和效益，后文中“三效”表征及定量分析均基于固體密實(shí)充填方法進(jìn)行展開(kāi)。固體密實(shí)充填的充填工藝流程為:通過(guò)充填液壓支架后部懸掛的多孔底卸式刮板輸送機(jī)將充填物料卸落至采空區(qū)，然后利用充填液壓支架上的夯實(shí)機(jī)構(gòu)將卸落的充填材料夯實(shí)密實(shí)。每架充填液壓支架單個(gè)循環(huán)步距對(duì)應(yīng)的可充填空間是一定的，此空間內(nèi)充入的固體充填材料越多，則密實(shí)度越好，工作面的充實(shí)率也越大。首先利用充填材料夯實(shí)前后的質(zhì)量守恒原理構(gòu)建恒等式，通過(guò)三維仿真或積分的方法求解充填工藝、充填體參數(shù)與夯實(shí)作用體積的關(guān)系，可求得充填材料夯實(shí)后容重的表達(dá)式。然后通過(guò)充填材料壓實(shí)試驗(yàn)并利用充填實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行修正，可以得出充填材料夯實(shí)后容重與充實(shí)率的關(guān)系，至此實(shí)現(xiàn)了充填效果的表征。最后利用“三效”之間的關(guān)系，可以得出充填效率和充填效益的表達(dá)式。(1)充填效果。對(duì)于固體密實(shí)充填而言，充填效果(充實(shí)率)的求解流程主要分為2部分:首先求解夯實(shí)后容重，然后通過(guò)夯實(shí)后容重求解充實(shí)率。其中，求解夯實(shí)后容重的步驟為充填體夯實(shí)后容重的表達(dá)式為式中，ρ利用夯實(shí)后容重求解充實(shí)率的步驟:(1)通過(guò)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試并結(jié)合實(shí)測(cè)經(jīng)驗(yàn)修正，得出充填體應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系，進(jìn)而推導(dǎo)出充填體容重與充填體彈性地基系數(shù)的關(guān)系式;(2)通過(guò)充實(shí)率與充填體應(yīng)變的關(guān)系，得出充實(shí)率與充填體彈性地基系數(shù)的關(guān)系式;(3)聯(lián)合上述公式得出充實(shí)率與充填體夯實(shí)后容重的關(guān)系式。充實(shí)率與夯實(shí)后容重的關(guān)系式為式中，φ為充實(shí)率;k(2)充填效率。充填效率通過(guò)單位時(shí)間內(nèi)充入的充填體質(zhì)量表示，具體步驟:(1)以夯實(shí)作用總體積和落料速度求落料時(shí)間;(2)以單次夯實(shí)時(shí)間和夯實(shí)次數(shù)求夯實(shí)時(shí)間;(3)根據(jù)落料和夯實(shí)工藝協(xié)同系數(shù)和開(kāi)采參數(shù)影響系數(shù)，求單個(gè)支架一個(gè)步距的充填時(shí)間;(4)計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)單個(gè)支架一個(gè)步距內(nèi)的充填體質(zhì)量，得出充填效率:式中，η為充填效率;T(3)充填效益。充填效益通過(guò)單位時(shí)間內(nèi)采出煤炭利潤(rùn)來(lái)表征，具體步驟:(1)計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)單個(gè)支架對(duì)應(yīng)區(qū)域的出煤量，具體通過(guò)充填效率和充采質(zhì)量比得出;(2)結(jié)合單位時(shí)間內(nèi)的出煤量與噸煤利潤(rùn)得出充填效益。式中，s為充填效益;η2結(jié)合開(kāi)采“三效”的影響因素2.1充填材料參數(shù)對(duì)“三效”的控制作用影響“三效”的因素包括地質(zhì)條件、工作面布置、充填設(shè)備、充填工藝、充填材料等。其中，工程地質(zhì)條件、工作面布置、充填設(shè)備一旦確定以后均不再改變，而充填物料特性以及充填工藝的實(shí)施可人為控制。因此，本文主要分析充填工藝和充填材料參數(shù)對(duì)“三效”的影響。研究的充填材料參數(shù)包括:自然安息角、充填材料夯實(shí)前容重;研究的充填工藝參數(shù)包括:夯實(shí)次數(shù)、單次夯實(shí)時(shí)間、單個(gè)支架落料時(shí)間、堆料高度。采用單因素變量法分析“三效”的變化規(guī)律，各參數(shù)取值為:采高h(yuǎn)為3.5m，支架寬度k為1.5m，充填材料夯實(shí)前容重ρ充填材料的容重與彈性地基系數(shù)關(guān)系及充填材料的應(yīng)力與彈性地基系數(shù)關(guān)系如圖2所示。基于以上開(kāi)采條件，得出了“三效”的具體公式。其中，充實(shí)率、充填效率和充填效益的公式分別為2.2填充工藝參數(shù)的影響規(guī)律2.2.1提高了農(nóng)村地區(qū)各時(shí)間點(diǎn)石由圖3可知，以夯實(shí)次數(shù)4次為基準(zhǔn)，夯實(shí)次數(shù)為1時(shí)充填效果降低了5.5%，但充填效率和充填效益分別提高了34.0%和53.6%;夯實(shí)次數(shù)為7次時(shí)充填效果提高了12.4%，但充填效率和充填效益分別下降了16.4%和25.9%。隨著夯實(shí)次數(shù)的提高充填效果不斷提高，但充填效率和充填效益均下降十分明顯。因此，在滿足充填效果的前提下，應(yīng)選擇較低的夯實(shí)次數(shù)，以提高充填效率和效益。2.2.2單次夯實(shí)時(shí)間由圖4可知，以單次夯實(shí)時(shí)間為0.5min為基準(zhǔn)，單次夯實(shí)時(shí)間為0.2min時(shí)充實(shí)率不變，充填效益和充填效率均上升了27.1%;單次夯實(shí)時(shí)間為1.2min時(shí)的充實(shí)率不變，充填效益和充填效率均降低了33.3%。隨著單次夯實(shí)時(shí)間的提高，充實(shí)率不變，但充填效率和充填效益不斷減小。因此，可通過(guò)提高夯實(shí)機(jī)構(gòu)供液流量和壓力、減小夯實(shí)機(jī)構(gòu)伸縮級(jí)數(shù)等方法提高夯實(shí)速度，以提升充填效率和效益。2.2.3充填高效充填技術(shù)由圖5可知，以單個(gè)支架落料時(shí)間為2min為基準(zhǔn)，單個(gè)支架落料時(shí)間為1min時(shí)充實(shí)率不變，充填效益和充填效率均提高了50%;單個(gè)支架落料時(shí)間為3min時(shí)充實(shí)率不變，充填效益和充填效率均降低了25%。隨著單個(gè)支架落料時(shí)間的提高，充實(shí)率不變，但充填效率和效益不斷減小。因此，可以通過(guò)提高多孔底卸式輸送機(jī)鏈速和優(yōu)化卸料孔布置等方式提高落料速度，從而實(shí)現(xiàn)充填效率和效益的提升。2.2.4堆料高度對(duì)充填率和充填效率的影響考慮到多孔底卸式輸送機(jī)懸掛和支架后頂梁厚度，堆料高度的取值范圍設(shè)定為2.0～2.8m。由圖6可知，以堆料高度2.4m為基準(zhǔn)，堆料高度為2m時(shí)充實(shí)率和充填效率分別下降了1.5%和24.9%，但充填效益上升了33.9%;堆料高度為2.8m時(shí)的充實(shí)率和充填效率分別升高了12.5%和14.8%，但充填效益下降了20.2%。隨著堆料高度的增加，充實(shí)率和充填效率不斷提高，但充填效益快速下降。因此，應(yīng)選擇合理的堆料高度來(lái)保證充實(shí)率和充填效益。2.3填充材料參數(shù)的影響規(guī)律2.3.1自然不同角對(duì)于充填體料堆料充填率和充填效率的影響考慮到常見(jiàn)充填材料的特性，選擇的自然安息角范圍為43°～50°。由圖7可知，以自然安息角46°為基準(zhǔn)，自然安息角為43°時(shí)充實(shí)率和充填效率分別提高了16.2%和6.7%，但充填效益下降了11.4%;自然安息角為50°時(shí)的充實(shí)率和充填效率分別降低了5.5%和12.2%，但充填效益提高了20.7%。隨著自然安息角增大，充實(shí)率和充填效率不斷下降，但充填效益不斷增加。這是因?yàn)樵诙蚜细叨纫欢ǖ那闆r下，隨著自然安息角增加，充填體料堆會(huì)更加細(xì)高，因此單次夯實(shí)作用體積和落料總體積均會(huì)不斷減小;但是夯實(shí)次數(shù)不變，因此單位時(shí)間內(nèi)夯實(shí)的充填材料減小，即充填效率和充實(shí)率會(huì)變差;但由于落料總量減小，落料時(shí)間變短，工作面循環(huán)時(shí)間變短，充填效益提高。2.3.2充填材料添加量根據(jù)實(shí)際，充填材料夯實(shí)前容重范圍設(shè)定在13～17kN/m由圖8可知，以充填材料夯實(shí)前容重15kN/m隨著充填材料夯實(shí)前容重的提高，充實(shí)率和充填效率增加，但充填效益不變。這是因?yàn)楹粚?shí)前容重增加后，單位時(shí)間內(nèi)落料和夯實(shí)作用體積不變，但充入充填體的質(zhì)量增加，即充填效率和效果增加，而單個(gè)支架的充填時(shí)間不變，即充填效益不變。3充分利用“三效”優(yōu)化控制方法3.1充填效率型“三效”類型通過(guò)上述分析可知，“三效”受不同充填采煤工藝參數(shù)影響時(shí)的變化規(guī)律不同，可分為4種類型:(1)類型1:效果提高，效率-效益下降。這種“三效”類型出現(xiàn)在為提高充實(shí)率而增加夯實(shí)次數(shù)的情況下，該類型“三效”關(guān)系曲線如圖9所示?！叭А眱?nèi)涵關(guān)系可解讀如下:充實(shí)率由85%(夯實(shí)次數(shù)為4)提高至95.5%(夯實(shí)次數(shù)增加為7)時(shí)，充填效率和充填效益分別下降16.4%和25.9%;當(dāng)充實(shí)率降低至79.4%(夯實(shí)次數(shù)為1)時(shí)，充填效率和充填效益分別增加34.0%和53.6%。(2)類型2:效果不變，效率-效益提高。這種“三效”類型出現(xiàn)在通過(guò)優(yōu)化多孔底卸式輸送機(jī)落料性能和充填液壓支架夯實(shí)性能，或?qū)Τ涮畈擅涸O(shè)備進(jìn)行自動(dòng)化改造導(dǎo)致單個(gè)支架落料時(shí)間減小和單次夯實(shí)時(shí)間減小的情況下，該類型“三效”關(guān)系曲線如圖10所示。“三效”內(nèi)涵關(guān)系可解讀如下:充實(shí)率不發(fā)生變化，充填效益隨著充填效率提高呈線性提高。(3)類型3:效果-效率提高，效益下降。這種類型出現(xiàn)在增加堆料高度和減小自然安息角的情況下。其中，增加最大堆料高度可通過(guò)減小多孔底卸式輸送機(jī)懸掛高度來(lái)實(shí)現(xiàn)，而減小自然安息角主要通過(guò)優(yōu)化充填體粒徑級(jí)配和濕度來(lái)實(shí)現(xiàn)，該類型“三效”關(guān)系曲線如圖11所示?！叭А眱?nèi)涵關(guān)系可解讀如下:如圖11(a)所示，充實(shí)率由78.3%(堆料高度為2.4m)提高至90.8%(堆料高度增高至2.8m)時(shí)，充填效率增加了14.8%，充填效益降低了20.2%;當(dāng)充實(shí)率降低至76.8%(堆料高度降低至2m)時(shí)，充填效率降低了24.9%，充填效益增加了33.9%。如圖11(b)所示，充實(shí)率由82.2%(自然安息角為46°)提高至95.5%(自然安息角減小至43°)時(shí)，充填效率增加6.7%，充填效益減小了11.4%;當(dāng)充實(shí)率降低至77.7%(自然安息角增大至50°)時(shí)，充填效率下降了12.2%，充填效益提高了20.7%。(4)類型4:效果-效率提高，效益不變。這種類型出現(xiàn)在通過(guò)優(yōu)化充填材料粒徑級(jí)配導(dǎo)致充填材料夯實(shí)前容重增加的條件下，該類型“三效”關(guān)系曲線如圖12所示。充實(shí)率由85%(夯實(shí)前容重為15kN/m3.2充填材料基礎(chǔ)厚度和厚度的基本原則由前面分析可知，充填工藝參數(shù)和充填材料參數(shù)均會(huì)對(duì)“三效”產(chǎn)生不同的影響，生產(chǎn)過(guò)程中通常需要設(shè)定合理的充填工藝參數(shù)來(lái)保證“三效”關(guān)系最優(yōu)。固體密實(shí)充填“三效”優(yōu)化控制的內(nèi)涵為:通過(guò)設(shè)計(jì)合理的充填工藝參數(shù)來(lái)滿足礦井對(duì)充實(shí)率、充填效率和充填效益的要求，其基本原則是在滿足充實(shí)率的前提下，實(shí)現(xiàn)充填效益的最優(yōu)。通過(guò)上述分析可知，在保證充實(shí)率不降低的前提下，提高充填效益的方法有:提高充填材料夯實(shí)前容重(優(yōu)化粒徑級(jí)配)，減小夯實(shí)時(shí)間和落料時(shí)間。如圖13所示，固體密實(shí)充填工作面“三效”優(yōu)化控制設(shè)計(jì)流程為:(1)根據(jù)開(kāi)采區(qū)域地質(zhì)條件和地表情況，分析充填開(kāi)采目的;(2)根據(jù)巖層控制指標(biāo)求解滿足充填要求的臨界充實(shí)率;(3)試驗(yàn)測(cè)試優(yōu)選充填材料及其級(jí)配，得出充填體容重、應(yīng)變及彈性地基系數(shù)的關(guān)系，構(gòu)建臨界充實(shí)率與充填工藝參數(shù)的關(guān)系式;(4)基于臨界充實(shí)率求解充填效益最優(yōu)條件下的夯實(shí)次數(shù)及對(duì)應(yīng)的堆料高度等充填工藝參數(shù);(5)計(jì)算并監(jiān)測(cè)采充質(zhì)量比、頂板下沉等參數(shù)來(lái)反饋調(diào)節(jié)充填工藝;(6)對(duì)充填采煤設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)化改造和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，以減小夯實(shí)時(shí)間、落料時(shí)間及充填和采煤工