0.   引　　言

煤炭是我国的主体能源和重要原料，1949年至今，我国煤炭累计产量已达960亿t以上，为国家经济社会发展提供了70%以上的一次能源，支撑了国内生产总值年均增长9%以上，为中华民族伟大复兴做出了不可磨灭的历史贡献^[1]。黄河流域是我国重要经济地带，也是我国重要的生态屏障^[2]，更是我国煤炭资源最具经济价值和开发潜力的地区，因此促进煤炭生产与环境保护的协调发展，是黄河流域生态环境保护与高质量发展的重大要求^[3]。据估计采煤沉陷面积每年以7万hm²的速度增加，大面积的耕地破坏或退化，使得矿区耕地资源严重不足，矿区社会经济和生态环境也受到了严重影响，给矿区的持续稳定发展构成了威胁^[4]。

陕北榆神府矿区作为黄河流域主要煤炭生产区之一，开发初期基于合理配置资源和支持地方经济发展的需要，形成了国有大中型企业与地方乡镇煤矿并举开采的生产格局^[5]。乡镇煤矿的开采方式主要是房柱式开采、条带式开采、爆破式开采和机械化开采，其技术装备水平低、采掘不规范，形成了大面积的悬顶空域。柱采区域常见矩形煤柱尺寸为6 m×6 m或6 m×4 m（长×宽），由于留设煤柱尺寸较窄，随着时间的推移，部分煤柱风化、蠕变、破裂或自燃，以及在地下水等多因素作用下都可能导致部分煤柱失稳破坏，并波及相邻煤柱从而产生“多米诺骨牌”效应^[6]，最终使整个采空区煤柱发生失稳破坏，引发矿震灾害，破坏覆岩含、隔水层结构，使得地下水资源流失；当地表潜水与地下水资源连接紧密时，还可能造成大量地表潜水流失，导致植物生长所必需的水分不足，进而影响耕地质量^[7-8]。这类破坏具有隐蔽、突发和长期等特点，因此对工程建设和人民生命财产安全造成巨大隐患。2011年12月7日9时许，榆林市榆阳区常兴煤矿采空区发生塌陷，引发附近某村民小组区域内大面积塌陷，地表开裂，地表最大裂缝宽度有15 cm。2020年5月8日11时许，陕西省府谷县境内老虎沟煤矿（已停产）发生2.6级矿震。2020年12月15日7时许，陕西省榆林市榆阳区金鸡滩煤矿发生2.6级矿震。2021年3月11日凌晨2时许，陕西省神木市崔家沟煤矿发生3.2级矿震，调查人员在排查中发现矿震中心位置位于该矿井西南角已关闭的原房柱式采空区内，并在该区域地表位置发现多条塌陷裂隙。2022年11月27日10时许，陕西省神木市发生3.0级矿震。针对榆神府矿区矿震频发的情况，当前非常有必要对该地区的悬顶采空区采取主动性治理措施。目前国内外对采空区治理措施主要有全部充填注浆法、局部支撑覆岩或地面构筑物法、覆岩离层注浆法、崩落围岩治理采空区法、露天剥离采空区法等^[9-13]。实践证明注浆充填法是最直接、最有效、适用面广且具有长时稳定性的采空区治理措施，而且从保护耕地的视角来看，这种治理措施也是减轻采煤沉陷、直接从源头上降低开采对耕地的采动损坏最行之有效的方法。

在实际充填作业过程中，颗粒的流动沉降直接影响流动效果和充填质量，进而影响充填体的支撑效果和覆岩结构的稳定性^[14-15]，为此学者们针对充填料浆的流动沉降规律开展了大量研究。王新民等^[16]研究了充填料浆在无限水平面上的流动规律。CHEN等^[17]采用宏观与微观结合的方法研究了充填体在相似采场中的强度分布规律。刘浪^[18]基于相似模拟试验研究了全尾砂充填料浆的流动沉降规律，并建立了充填体沉降几何结构预测模型。甘德清等^[19]通过三维立体物理模拟试验平台，研究了不同灰砂比充填体在相似采场中的强度分布规律。卢建宏等^[20-21]通过开展充填料浆流动沉降相似模拟试验及借助三维激光扫描仪器提取了现场充填料浆流动终态轨迹数据，得出了充填采场料浆流动轨迹曲线函数方程，并经过强度测试试验，揭示了充填体强度分布规律。史采星等^[22]通过相似采场模型研究了分级尾砂充填料浆在相似采空区中的流动规律及料浆离析对充填体强度的影响规律。邱华富等^[23]通过相似采场模型研究了不同进料口位置影响下的全尾砂−棒磨砂充填料浆在相似采空区中的流动沉积规律、颗粒质量分数分布规律以及充填体强度分布规律。方治余^[24]运用基于相似理论的水槽试验平台以及核磁共振等技术对含冰粒胶结充填料浆在采空区的流动沉降与分层规律展开了研究。朱磊等^[25]通过矸石浆体长距离环管试验和邻位充填采空区流动扩散试验研究了充填料浆流速与沿程阻力的关系并掌握了料浆在采空区垮落带内的流动扩散规律。房柱式采空区中大量煤柱的存在会对充填料浆的流动过程产生影响，充填料浆进入采空区后一方面受初速度和重力作用影响继续保持运动，另一方面会受到煤柱的阻碍作用，迫使料浆改变当前运动状态，使料浆经过柱体结构时发生绕流。目前缺乏关于充填料浆在房柱式采空区中的流动沉降规律的研究，特别是缺乏针对具有绕流特点的流动沉降规律的研究。

鉴于此，笔者以榆神府矿区某矿房柱式采空区域充填为工程背景，搭建基于相似理论的房柱式采空区矸石似膏体充填料浆流动沉降试验平台，研究矸石似膏体的流动沉降几何结构、静态离析过程中的超声波变化、静态抗离析性能、不同粒径颗粒的沉降规律、充填体的强度分布规律以及宏观缺陷成因，为后续大范围采空区治理研究提供试验基础。

1.   相似模拟试验设计

1.1   相似试验装置的设计与制作

关于充填料浆在采场中流动沉降规律方面的研究，学者通常是采用基于相似理论的水槽试验来进行研究，这种试验开展的前提是满足几何相似、运动相似和动力相似。充填料浆进入采场后主要受重力影响，满足弗劳德相似准则^{[22, 26]}。根据榆神府矿区某矿房柱式采空区实际尺寸，其中煤柱尺寸为7.0 m×7.0 m，开采宽度为6.0 m，采高为3.0 m，设定模型与实际尺寸相似比为1∶60。根据弗劳德相似准则中公式可知：

式中：λ为相似比；v为速度，m/s；Q为流量，m³/h；下标m、p分别表示模型和实际现场。

结合目前矿井常用充填动力参数，充填料浆流量300 m³/h，料浆出口速度2.0 m/s，可得试验所对应的动力参数：

根据采空区实际情况结合相似比计算可得：相似采场中煤柱尺寸为116 mm×116 mm，开采宽度为100 mm，开采高度为50 mm。由于相似模型中开采高度远小于试验室标准试件尺寸（100 mm），为便于研究充填体在竖直方向上的差异性，本次试验将充填区域高度提高至350 mm，以确保后续试验的顺利开展。如图1所示，采用聚苯乙烯泡沫板搭建房柱式采空区相似模型，并在模型顶部铺设聚乙烯薄膜，在既更加真实模拟采空区内部空气流动情况的同时又可便于观察充填料浆在其内部的流动过程。为方便后续描述将整个模型划分为如图1所示的9个区域（A区～I区）。

图  1  房柱式采空区相似模型

Figure  1.  Similarity model of room-and-pillar goaf

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1.2   充填材料选择及配比确定

充填材料的选取应遵循取材方便、成本低廉和满足充填要求的原则。经实地考察以及前期试验最终确定充填材料由煤矸石、粉煤灰、水泥（P.O42.5型号的普通硅酸盐水泥）和水搅拌配制而成，固体质量分数为74%，矸石、水泥、粉煤灰质量分数分别为53%、12%、35%。矸石经过破碎筛分后，其颗粒级配符合Talbol 级配理论，Talbol指数n=0.45，如图2所示，矸石粒径区间1.250～3.000、0.630～1.250、0.315～0.630、0.160～0.315、0.075～0.160、0～0.075 mm，各粒径占比分别为17.24%、19.14%、19.55%、14.86%、11.57%和17.64%。

图  2  试验矸石粒径分布

Figure  2.  Particle size distribution of test gangue

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1.3   试验方案

1.3.1   采场充填

如图3所示，按照试验配比将试验材料混合搅拌5 min后，配置成矸石似膏体充填料浆，充填料浆经进料漏斗以0.26 m/s的水平速度流入相似采场，直至料浆无法流入则试验结束，试验结束后在室温26～28 ℃，湿度57%左右的环境下养护28 d。与此同时制作相同配比的标准试件，分别在恒温恒湿环境^[27]（温度（20±1）℃，湿度（95±2）%）和室温环境（温度26～28 ℃，湿度57%左右）养护28 d。

图  3  试验过程

Figure  3.  Experimental process

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1.3.2   超声波检测及静态抗离析性能分析

充填料浆在经过管道运输、采场内流动直至最终停止运动的整个过程会发生2种离析过程，动态离析和静态离析^[28]。动态离析指充填料浆在流动过程中骨料运动滞后料浆运动的现象，此时骨料还受到水平外力作用，如图4a所示。静态离析指充填料浆停止流动在静置硬化过程中骨料发生沉降的现象，此时不存在水平外力作用，如图4b所示。由于动态离析过程复杂且多变本次研究暂不讨论。仅对矸石似膏体充填料浆在相似采场中的静态离析过程进行分析。

图  4  不同过程单元受力模型

Figure  4.  Force model of different process units

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待充填工作结束后，采用RSM-SY5(T)非金属声波检测仪对相似采场中矸石似膏体充填料浆的静态离析过程进行检测。RSM-SY5(T)非金属声波检测仪的声波振幅精度不大于3%，频带宽度：1～500 kHz，换能器的频率：50 kHz，测试试样精度：0.1 mm，采样间隔：0.1～200 μs，记录长度：0.5～4 000。测点编号及测线布置如图5b所示，布设测线自进料口侧至排气孔侧，共布置测线27条，将非金属声波检测换能器安置在测线处，对不同位置处的超声波波速进行检测，并记录充填料浆在静置过程中超声波波速随时间的变化情况。每个测点测3次取其平均值后记录，前60 min每间隔20 min记录1次，60 min后每小时记录1次，直至最终记录值稳定则检测结束。

图  5  超声波测试

Figure  5.  Ultrasonic testing

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1.3.3   颗粒粒径分布测试

待相似采场内矸石似膏体充填料浆流动沉降运动彻底结束后，按照图6a的取样方案在相似采场内进行钻孔取样，将整个试样自下至上切割为下中上3部分，如图6b所示，将3部分试样放置在105 ℃干燥箱内进行脱水处理，直至试样质量不再发生变化为止，记录最后一次称重结果M_t。然后将试样放置在筛网内，按照1.250～3.000 mm、0.630～1.25、0.315～0.630、0.160～0.315、0.075～0.160、0～0.075 mm 6个粒径等级进行筛分。由于试验所使用的P.O42.5型号的普通硅酸盐水泥和粉煤灰其粒径均小于0.075 mm，在筛分过程中难以和0～0.075 mm的矸石颗粒进行区分，因此本研究将以上三者合并为1组，进行计量称重，则重新调整试验中各粒径区间占比，其中1.250～3.000、0.630～1.250、0.315～0.630、0.160～0.315、0.075～0.160和0～0.075 mm分别调整为9.14%、10.14%、10.36%、7.88%、6.13%和56.35%。

图  6  粒径分布测试过程

Figure  6.  Particle size distribution test process

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筛分后对每个粒径区间进行称重并按照式（5）进行计算，从而得出各粒径在不同位置处的分布情况。

式中：C_d1～d2为某一粒径区间的质量分数，%；M_t为试样的固体总质量，g; M_d1～d2为某一粒径区间的固体质量，g。

1.3.4   单轴抗压强度测试

由于本研究需分别进行颗粒粒径分布规律和充填体强度分布规律研究，因此在进行颗粒粒径分布测试结束后需重新搭建相似采场模型并进行料浆充填，充填结束后进行室温养护（温度26～28 ℃，湿度57%左右）。当矸石似膏体充填料浆养护至28 d后，将相似采场中的充填体按照图7a进行取心。如图7b所示，将整段试样自下至上切割为3组试样，再经打磨后制作成标准试件（直径50 mm，高度100 mm）进行单轴抗压强度测试。若整个取心试样不能完整切割为3组，则先切割为2组标准试件，剩余部分进行单轴抗压强度测试后进行试验结果换算。单轴抗压强度测试采用DNS100电子万能试验机进行。本次加载方式采用位移加载，以1.0 mm/min的加载速率进行单轴压缩试验。

图  7  单轴抗压强度测试过程

Figure  7.  Uniaxial compressive strength test process

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2.   试验结果及分析

2.1   流动沉降几何结构

矸石似膏体充填料浆经进料漏斗以0.26 m/s的水平初速度流入相似采场，初始运动路线类似于平抛运动，落地之后扩散的同时流向排气孔方向，当碰到采场内的煤柱时，在煤柱边缘处发生分流，一部分骨料沉积下来，一部分骨料则跟随浆液继续向前流动。充填结束后揭开顶面的聚乙烯薄膜发现充填体自入口至排气孔方向形成了一定的坡面结构，如图8所示。待料浆泌水及沉降彻底结束后，采用游标卡尺对充填体坡面与煤柱上表面间距进行测量，煤柱总高度（350 mm）减去测量值（h_d）即可得到当前位置点的充填体高度，根据试验结果绘制了充填体坡面高度等值线图，如图9所示，其中进料口附近充填体最高为344.4 mm，排气孔附近充填体最低为281.0 mm。充填体最终形成自进料口至排气孔方向5°左右的自然坡面，主要原因为矸石似膏体充填料浆在相似采场中流动时受重力影响，较大粒径颗粒率先沉积形成稳定结构，小粒径颗粒在大粒径骨料的稳定基础上被推移至远端，从而形成了最终的非水平沉降几何结构^[18]。前面提到为便于研究充填体在竖直方向上的差异性将将相似采场中的开采高度由50 mm提高至350 mm，在此将试验结果转换为50 mm开采高度，并采用式（6）对换算后的结果进行拟合，拟合结果如图10和式（7）所示，其相关系数为0.942 6，说明拟合结果与试验结果匹配性较好，该函数可用于表示不同位置处的充填体高度值（如果x,y所表示的位置处存在煤柱，则不进行充填体高度计算；如果计算结果≤0，则表示该位置没有充填料浆）。

图  8  充填体最终几何形貌

Figure  8.  Final geometry of filling body

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图  9  充填体最终坡面参数分布

Figure  9.  Distribution of final slope parameters of filling body

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图  10  拟合充填体高度

Figure  10.  Fitting height of filling body

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式中：x∈[−492，492]，y∈[0，972]。

利用式（8）可计算采空区充实率，采空区充实率可用于衡量充填的充实程度。

式中：φ为相似采空区充实率，%；H_z为相似采场中的开采高度，为50 mm；h_d为顶板最终下沉量，此处为充填体表面与煤柱上表面间距测量值，mm；H为充填体高度，mm。

由图11可以看出，在开采高度为50 mm的相似采空区中充实率最高为89.00%（位于进料口附近），随着流动距离的增加，其充实率呈降低趋势。经计算矸石似膏体充填料浆的最远流动距离为720 mm，超过720 mm则没有矸石似膏体充填料浆，由此说明在本次试验条件下矸石似膏体充填料浆的极限流动距离约为720 mm。

图  11  相似采空区充实率分布

Figure  11.  Distribution of filling rate of similar goaf

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2.2   超声波传播规律

2.2.1   超声波波速随静置时间的变化规律

超声波波速在矸石似膏体充填料浆中的传播速度随静置时间的变化规律如图12所示。由图可以看出：A区域与I区域、B区域与H区域、C区域与G区域、D区域与F区域矸石似膏体的变化趋势类似，这主要是因为充填料浆经进料口进入采场区域后流经第1块煤柱时发生了分流，由于整个相似模型为左右对称型，使得充填料浆分流后在左右两区域内的运动过程相似，才出现上述变化趋势类似的情况。由于下部区域先被充填，而当进行波速检测时，下部已基本完成颗粒沉降，又因为下部和中部区域料浆中的粗骨料在发生沉降后会有来自上部料浆中的粗骨料进行补充，使得下部和中部区域料浆中粗骨料体积分数增大，超声波波速较高。上部区域由于充填料浆进入采场与波速检测时间间隔较短，料浆内部正在发生颗粒沉降，其中粗颗粒先于细颗粒发生沉降，所以粗骨料在上部区域中占比降低，细颗粒占比增加，超声波波速最小。随着静置时间增加，上部区域波速缓慢降低，中部和下部区域波速缓慢升高，这主要是因为采场内充填料浆仍在发生缓慢沉降运动，特别是上部区域粗颗粒占比降低并对中部和下部区域进行了补充^[29]。检测后期超声波波速均呈现缓慢上升趋势，可能是因为料浆中正在进行水泥的水化反应和粉煤灰的火山灰反应^[30]。

图  12  不同区域超声波测试结果

Figure  12.  Ultrasonic test results in different regions

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可以看出不同测试区域的超声波波速差异明显，其中v_D（v_F）>v_B（v_H）>v_E>v_A（v_I）>v_C（v_G），主要原因为检测截面上非充填体（聚苯乙烯泡沫）材料与充填体的尺寸比k不同。

式中：k为检测截面2种材料的尺寸比； $ {\delta _{\mathrm{n}}} $为检测截面上非充填体材料总尺寸； $ {\delta _{\mathrm{f}}} $为检测截面上充填体材料总尺寸。

由表1可知不同检测截面上非充填体材料与充填体材料的尺寸比k大小关系为：k_C=k_G>k_E=k_A=k_I>k_D=k_F= k_B=k_H。

表  1  不同区域非充填体材料与充填体材料的尺寸比

Table  1.  Size ratio of non-filling body material to filling body material in different regions

区域	A	B	C	D	E	F	G	H	I
k	1.24	0.16	1.83	0.16	1.24	0.16	1.83	0.16	1.24

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尺寸比k越大，检测截面综合密度越小，超声波波速越低；尺寸比k越小，检测截面综合密度越大，超声波波速越高。超声波波速随着检测截面非充填体材料与充填体材料的尺寸比k的增加而降低。

当尺寸比k相同时，v_E大于v_A和v_I，主要原因为A区域和I区域相距模型流动核心区域（D区域和F区域）的距离较远，料浆在流动过程中受到了煤柱的阻碍作用迫使动能衰减，料浆中一部分粗颗粒骨料率先在当前位置沉积下来，其余部分则被煤柱分流继续向前流动，紧接着又遇到下一块煤柱的阻碍，继续被沉积被分流，直至最终运动停止。经过多次分流后，距离越远的充填料浆中粗颗粒占比越低，因此其对应的超声波波速越小。v_D和v_F大于v_A和v_I，亦是同样的原因。

2.2.2   静态抗离析性能评价

超声波波速的差异说明矸石似膏体充填料浆在静置时经历了离析过程，引用静态离析率来表征矸石似膏体充填料浆的静态抗离析能力^[31]。由于中、下部超声波波速变化情况基本一致，上、下部的超声波波速具有一定的差异性，因此选择上、下部的超声波波速差异来分析充填料浆的静态抗离析能力。

静态离析率R_S计算式如下：

由于本试验检测过程中各个检测截面充填体占比不同，无法进行综合对比，所以在式（10）中引入非充填体材料与充填体材料的尺寸比k，则修正静态离析率R_S计算式为

式中： R_S为静态离析率；k为检测截面2种材料的尺寸比；t₁为检测开始时间，min；t₂为检测结束时间，min；V_l为下部检测点处的超声波波速，km/s；V_u为上部检测点处的超声波波速，km/s。

由表2可以看出不同测试区域的超声波波速差异明显，其中R_S,G>R_S,E>R_S,C>R_S,F>R_S,D>R_S,I>R_S,A>R_S,H>R_S,B。参考相关文献[31]：当静态离析率小于0.33时，充填料浆的静态抗离析性能较优，据此可以判定本次相似模型中各个区域均具有较优的静态抗离析性能。

表  2  不同区域充填料浆静态离析率计算结果

Table  2.  Calculation results of static segregation rate of filling slurry in different areas

区域	A	B	C	D	E	F	G	H	I
RS	0.1560	0.109 5	0.181 1	0.166 5	0.195 0	0.177 0	0.195 2	0.111 8	0.159 1

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2.3   颗粒沉降分布规律

充填料浆进入房柱式采空区后，经过重力作用下的流动沉积作用和柱体结构的阻碍分流作用，其中料浆内的颗粒均发生了重新排布，相比于试验配比中的粒径占比，各粒径区间占比均发生明显变化。

2.3.1   沿流动方向粒径占比分布规律

上部区域沿流动方向各粒径区间占比情况如图13所示。由图13a、图13b、图13c、图13 d可以看出C～G区域靠近进料口侧的0.160～3.000 mm占比较高，并沿流动方向在逐渐减小；由图13e、图13f可以看出距离进料口越远，0～0.160 mm占比在逐渐上升，主要是因为料浆进入相似采场后在流动过程中动能降低，再经过煤柱分流时动能进一步衰减，粒径较大的矸石颗粒就率先沉积下来，而粒径较小的颗粒则继续流动。A、B、H和I区域在靠近进料口侧存在一个最大和一个最小占比，而在靠近排气孔侧存在最小占比，这是因为料浆从C、G区域第1、第2块煤柱中间流过时一小部分料浆被迫改变了流动方向，向着A、B、H和I区域靠近进料口侧方向开始流动，较粗颗粒的占比沿着新的流动方向同样在降低，小粒径颗粒由于其质量较小在受到流速变化时更容易被推向A、B、H和I区域靠近进料口侧的地方，因此0～0.160 mm颗粒在该位置的占比相对于其他区域在该侧的占比较高。A、C、E、G和I区域内分布有很多煤柱，在这些区域内相邻两块煤柱之间靠近排气孔侧的占比较靠近进料口侧略高，这主要是因为料浆流动过程中水头部分在受到煤柱的阻碍作用后一部分颗粒在煤柱前方先沉积下来，这就使得靠近排气孔侧的占比略高。

图  13  上部区域不同粒径分布情况

Figure  13.  Different particle size distribution in the upper region

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在中部和下部区域同样得出：C～G区域0.160～3.000 mm的占比沿流动方向在逐渐减小，0～0.160 mm的占比在逐渐上升，A、B、H和I区域在靠近进料口侧存在最大和最小占比，在靠近排气孔侧存在最小占比，相邻两块煤柱之间靠近排气孔侧的占比较进料口侧略高。由于篇幅有限，相关原因不再赘述。

2.3.2   沿竖直方向粒径占比分布规律

将模型底板标高设为0 mm，随着标高的增加，粗颗粒占比在逐渐降低，细颗粒占比在逐渐增加。E区域靠近进料口侧1.250～3.000 mm的占比由14.77%降低到14.25%，0.630～1.250 mm的占比由15.22%降低到14.24%，0.315～0.630 mm的占比由13.85%降低到13.33%，0.160～0.315 mm的占比由12.48%降低到11.98%，0.075～0.160 mm的占比由4.83%上升到6.46%，0～0.075 mm的占比由40.86%降低到39.47%；E区域靠近排气孔侧1.250～3.000 mm的占比由7.51%降低到7.01%，0.630～1.25 mm的占比由10.08%降低到7.01%，0.315～0.630 mm的占比由10.70%降低到10.04%，0.160～0.315 mm的占比由9.47%降低到9.02%，0.075～ 0.160 mm的占比由6.04%上升到6.59%，0～0.075 mm的占比由57.46%上升到57.70%。

D、F区域靠近进料口侧1.250～3.000 mm的占比由13.44%降低到12.92%，0.630～1.250 mm的占比由14.21%降低到13.71%，0.315～0.630 mm的占比由13.63%降低到13.12%，0.160～0.315 mm的占比由12.29%降低到11.85%，0.075～0.160 mm的占比由5.47%上升到6.24%，0～0.075 mm的占比由41.12%上升到42.07%；D、F区域靠近排气孔侧1.250～3.000 mm的占比由7.07%降低到6.24%，0.630～1.250 mm的占比由9.42%降低到9.15%，0.315～0.630 mm的占比由10.70%降低到10.36%，0.160～0.315 mm的矸占比由9.15%上升到9.36%，0.075～0.160 mm的占比由6.67%上升到6.78%，0～0.075 mm的占比由58.25%降低到57.75%。

鉴于篇幅有限其他区域不再叙述。由于沉降作用，在竖直方向上，下部粗颗粒占比较大，细颗粒占比较小；随着高度增加，粗颗粒占比减小，细颗粒占比增大。在不同的平面位置，沿竖直方向上的颗粒占比变化率不同，越靠近进料口侧，沿竖直方向上的粗颗粒占比增长率越大；越靠近排气孔侧，沿竖直方向上的细颗粒占比增长率越大^[23]。

2.4   充填体强度分布规律

2.4.1   沿流动方向充填体强度分布规律

如图14所示，根据不同区域不同水平位置沿流动方向的矸石似膏体充填体的单轴抗压强度测试结果可知，充填体强度沿流动方向处存在显著差异，沿料浆流动方向充填体强度呈现出“增加−降低−增加−降低−增加”的波浪型变化规律。矸石似膏体充填料浆是以不同粒径矸石、水泥、粉煤灰和水等组合而成的混合物，在强度发育过程中水泥先和水发生水化反应，其水化反应产物氢氧化钙（CH）对粉煤灰表面进行腐蚀，进而激发出粉煤灰的火山灰反应，生成的水化硅酸钙胶凝（C−S−H）将颗粒包裹形成胶结结构。随着时间变化，2种反应持续进行，胶结结构之间的孔隙不断被填充，最终形成具有承载能力的充填体。在流动方向末端（靠近排气孔侧）时充填体强度表现出上升趋势，这主要是因为料浆流动过程中受到模型边界的阻挡无法继续流动，料浆被迫在当前位置沉积，由于流动过程中较大颗粒已经在之前发生了一定的沉积，所以在模型边界处细颗粒占比增加，其所对应的比表面积越大，与水泥和粉煤灰发生反应的接触面越广，反应就更加充分^[19]，生成的胶结结构就更加紧密，直接表现出来即是充填体强度的增加。

图  14  下部区域不同粒径分布情况

Figure  14.  Different particle size distribution in lower region

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与现有的相似模拟装置（水槽试验）不同之处在于本试验装置内的煤柱对料浆的正常流动起到了阻碍作用，迫使料浆在煤柱边缘处发生分流、沉降离析等现象。以E区域中部钻孔试样强度数据为例，在数据点$ E_{{\mathrm{mid}}}^{2} $的强度相比于$E_{{\mathrm{mid}}}^{1} $的强度增加了8.62%，这主要是因为相比与$ E_{{\mathrm{mid}}}^{2} $，料浆水头率先被第1块煤柱阻挡，此时部分粒径大的颗粒先沉积，使得当前$E_{{\mathrm{mid}}}^{1} $中的粗颗粒占比较$E_{{\mathrm{mid}}}^{2} $的大，相应的用于胶凝的水泥和粉煤灰等细颗粒的占比就会降低，这也就使得最终的充填体强度弱于$E_{{\mathrm{mid}}}^{2} $处。在数据点$E_{{\mathrm{mid}}}^{3} $的强度相比于$E_{{\mathrm{mid}}}^{2} $的强度降低了1.35%，在数据点$E_{{\mathrm{mid}}}^{4} $的强度相比于$E_{{\mathrm{mid}}}^{3} $的强度降低了8.55%，这是因为E区域中的料浆主要来自D、F区域料浆流动过程中的支流汇集而成，料浆在D、F区域流动过程中自身发生沉积，浓度逐渐降低，作为支流汇集在E区域的料浆浓度也在降低，料浆浓度越低强度越低。在数据点$E_{{\mathrm{mid}}}^{5} $的强度相比于$E_{{\mathrm{mid}}}^{4} $的强度增加了13.3%，这是因为$E_{{\mathrm{mid}}}^{5} $位置位于模型边缘处，料浆在此处受到模型边界的阻碍作用，无法继续向前方流动，同时被两侧煤柱阻碍，无法向两侧扩展，料浆中剩余材料被迫在D、F区域末端和$E_{{\mathrm{mid}}}^{5} $附近全部沉积，此时细颗粒占比增加，用于反应的水泥和粉煤灰占比增加，固体质量分数降低，多余的水分及时补给到水化反应过程中，从而使充填体强度增加。

2.4.2   沿竖直方向充填体强度分布规律

A区域～I区域充填体试样单轴抗压强度测试结果如图15所示。由图可知，位于同一钻孔内的3组试样强度随着深度的增加而增加。在充填过程中，料浆先在下部发生离析沉积，后续进入的料浆对之前的料浆进行补充，由此使得下部固体质量分数较高，中部次之，上部最小。还可能是因为本试验所使用的聚苯乙烯泡沫在料浆进行水化反应过程中起到了一定的保温作用，当料浆内部进行水化放热反应时，聚苯乙烯泡沫使得内部保持较高温度，促进了水化反应更充分的进行。随着充填高度的增加，充填体与上部空气对流，聚苯乙烯泡沫的保温效果减弱，由此使得水化反应相对于下部位置较弱，从而造成了充填体强度在竖直方向上的差异。

图  15  不同区域充填体试样单轴抗压强度分布

Figure  15.  Distribution of uniaxial compressive strength of filling body samples in different regions

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由图15可以看出在竖直方向上不同部位的试件强度与标准养护组（温度（20±1）℃，湿度（95±2）%）和室温组（温度26～28 ℃，湿度57%左右）在强度方面存在差异。中部和下部充填体强度均高于标准养护组的强度，上部充填体强度接近于标准养护组的强度但高于室温组的强度。中、下部充填体强度高于室温组强度可能是因为一方面在强度发育过程中受到尺寸效应的影响，中、下部充填体结构尺寸远大于标准试件（50 mm×100 mm）尺寸，结构尺寸越大就会有更多的胶结料参与水化反应，因此就会产生更多的热量，结构尺寸越大越有利于热量的储存，这反过来又促进了水化反应的进行，产生的水化硅酸钙胶凝（C−S−H）越多，再加上来自上部充填体自重压密的影响，因此使得中、下部充填体孔隙结构更加致密；另一方面可能是因为中、下部充填体强度发育过程中自身相对较少的水分散失，并有来自上部料浆中的水分及时补充进来促进了水化反应进行；另一方面可能是因为试验材料聚苯乙烯泡沫在水化放热过程中为反应提供了一个较高温环境，从而促进了水化反应的进行，使得强度得到发育^[32-36]。因此中、下部充填体强度高于室温组强度是多重影响因素下的结果。上部充填体在强度发育过程中和室温组一样均会有水分流失，但受到尺寸效应的影响，且在聚苯乙烯泡沫的包裹下又为其提供了一个相对较高温环境，这就使得上部充填体强度高于室温组的强度但又接近于标准养护组的强度。

室温组的试件强度低于标准养护组，主要是因为室温环境中湿度低于恒温恒湿养护箱中的湿度，在强度发育过程中缺少了水分的及时补给，影响了水化反应的进行，从而在强度方面存在一定差异。又因为室温组温度较高于标准养护组的温度，但强度却低于后者，说明温度差异较小（相差6～8 ℃）时，湿度对于强度的影响较为显著。

由于模型为轴对称形状（以进料口和排气孔的连线为对称轴），因此料浆向两侧扩散的运动过程相似，这也就使得最终稳定下来的状态也存在一定的相似性，这在前面的试验结果中已多次验证，通过绘制不同水平（上部、中部和下部）充填体强度等值线（图16）可以看出，在充填体强度方面同样存在这一规律。这主要与进料口位置的选择有关，可以推断出不同的进料口位置会对最终的试验结果产生影响。为确保充填体最终具有一个相对均衡的强度分布规律，建议在进料口位置确定时尽可能选择具有对称性的位置，以此来保证充填体的整体质量。

图  16  沿竖直方向充填体强度分布

Figure  16.  Filling body strength distribution along the vertical direction

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2.5   宏观结构缺陷分析

在进行充填体钻孔取心过程中发现，部分试样表面分布有大小不一的缺陷结构，如图17所示，参考混凝土结构缺陷命名方式^[37-38]，图中缺陷可被称为蜂窝和麻面。蜂窝主要表现为充填体局部疏松，结构形如蜂窝状的孔洞。麻面主要表现为内部空气排除不干净，或因为料浆渗漏造成的表明有凹陷的小坑。这些主要是因为充填料浆内部产生的气泡无法顺利排出所致。

图  17  充填体试样宏观缺陷

Figure  17.  Macroscopic defects of filling body sample

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充填料浆产生气泡的原因有很多种，搅拌、流动、材料本身携带等都有可能在充填料浆内部产生气泡。搅拌过程中充填料浆产生漩涡从而捕获空气形成气泡，此时较大的气泡可能被骨料等挤压成较小的气泡，存在于充填料浆内部伴随充填过程进入待充填区域。充填料浆在采场中的流动是一个固液气三相流问题，大量柱体结构使得流动过程变得复杂，充填料浆绕流柱体结构时空气可能被卷入并一起流动。由于充填料浆中加入了胶凝材料，使得料浆粘度增加，一方面为内部气泡提供了缓冲，从而阻碍了气泡的破裂与合并；另一方面减缓了气泡的迁移，降低了气泡运动到液面破裂的可能性^[39]。

粉煤灰作为燃煤电厂烟气中捕获的细灰，加入充填料浆中可以降低充填成本，减少环境污染，改善料浆的拌合物性能。但由于环保要求燃煤电厂在进行烟气排放时通常采用选择性催化还原脱硝工艺（SCR法），其在脱硝处理中常采用过量的液氨或尿素作为脱硝剂，过量脱硝剂产生的氨气被具有吸附作用的粉煤灰颗粒吸附于其空腔内，一部分氨气残留在粉煤灰内部，一部分则同其他物质反应生成铵盐（NH₄HSO₄和(NH₄)₂SO₄）残留在粉煤灰中。在充填料浆搅拌过程中，铵盐以铵根离子(${\text{NH}}_4^ + $)的形态溶于水中，如式（12）和式（13）所示。随着充填料浆中水泥水化反应和粉煤灰火山灰反应的进行，料浆整体处于碱性环境中，铵根离子在碱性环境中转化为氨气(${\text{N}}{{\text{H}}_{\text{3}}}$)释放出来^[38]，转化关系式如式（14）所示。如图18所示，一部分氨气逸散在空气中，而另一部分氨气受到料浆的黏性作用无法逸散出来，则残留在充填体内部，形成最终所看到的气孔结构。

图  18  充填体中氨气逸散示意

Figure  18.  Schematic diagram of ammonia escape in filling body

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相比于混凝土施工过程采空区充填过程缺少了人工振捣环节，这就使得充填料浆内部气泡破裂的难度增加。当充填料浆凝结时，未及时破裂的气泡就形成了充填体中的孔隙结构^[40]。这些孔隙结构会影响充填体强度和耐久度，更严重的会影响整体结构安全，为保证充填质量在施工过程中可采取以下措施来避免孔隙结构的形成：① 首先应对料浆进行充分搅拌；② 增加泵送压力、料浆与管壁之间的摩擦和料浆内部的剪切作用均会使得气泡破裂；③ 现场可采取分层多次充填，并采用适合于采场的振捣装置对料浆进行振捣。④ 可先对粉煤灰进行脱氨处理后再使用或在充填料浆中加入抑制氨气释放的抑制剂等措施^[41]。

3.   结　　论

1）充填结束后在充填体表面形成了自进料口至排气孔方向5°左右的自然坡面。靠近进料口处的充实率最高，为89.00%，随着流动距离的增加，充实率呈降低趋势。矸石似膏体充填料浆的极限流动距离约为720 mm。

2）超声波波速测试结果显示，中部和下部超声波波速高于上部充填体的波速，其中中部和下部超声波波速随着时间变化均有上升趋势，下部则先减小后缓慢上升。各区域超声波波速为v_D （v_F）>v_B （v_H）>v_E>v_A（v_I）>v_C（v_G），各区域静态离析率0.33>R_S,G>R_S,E>R_S,C>R_S,F>R_S,D>R_S,I>R_S,A>R_S,H>SR_B，均具有较优的静态抗离析性能。

4）中间区域靠近进料口侧的0.160～3.000 mm粒径占比较高，沿流动方向在逐渐降低，距离进料口越远，0～0.160 mm粒径占比在逐渐增加。两侧区域靠近进料口侧存在一个最大和一个最小粒径占比，在靠近排气孔侧存在最小占比。0～0.160 mm粒径占比在两侧区域靠近进料口侧的占比相对于中间区域较高。相邻两块煤柱之间靠近排气孔侧的占比较靠近进料口侧的略高。下部粗颗粒占比较大，细颗粒占比较小；随着高度增加，粗颗粒占比减小，细颗粒占比增加。

5）沿料浆流动方向充填试样强度呈现波浪型变化规律，在排气孔侧强度较高。充填试样强度随深度增加呈上升趋势。室温组的试件强度低于标准养护组的试件强度，中部和下部充填体强度均高于标准养护组的强度，上部充填体强度接近于标准养护组的强度。

6）充填体产生宏观缺陷主要与充填料浆内部产生的气泡无法顺利排出有关。