超高水材料充填开采技术研究

针对超高水材料性能差、充填体密实程度低、充填工艺系统复杂等问题,以田庄煤矿超高水材料充填开采为工程背景,研究了不同外加剂掺量对超高水材料的影响,分析了超高水材料蠕变性能,改进了充填系统和工艺,并开展了工业性试验和效果分析。结果表明:随AA外加剂掺量增加,浆液流动性能变差,泌水率降低,单轴抗压强度逐渐增加,28d强度最大可达0.90 MPa;在6.5 MPa压力作用下封闭的超高水材料应变仅为6.02×10~(-3),超高水材料可视为不可压缩体;充填工艺系统简洁、高效、稳定,实现了精准自动化操作和半连续制浆、连续放浆的工艺,满足了工作面的快速回采和充填要求;超高水材料性能好、充填体密实度高、接顶充分,达到了显著的地表沉降控制效果,实现了煤炭资源的绿色开采。     

超高水材料充填回收浅埋大巷煤柱参数设计及围岩变形控制研究

超高水材料以超高含水率、易于输送、成本低和接顶效果好等优势应用于煤矿充填开采,但现场复杂 的环境及施工经验不足常导致超高水材料出现泌水和不凝结等现象发生,从而影响采矿安全和施工效率。以内蒙 古纳二矿浅埋煤矿回收大巷煤柱为工程背景,结合室内试验及现场监测,对超高水材料参数优化及围岩变形控制 效果进行研究。结果表明：超高水材料拌合水温及 AA 料添加剂用量对材料的凝结时间、流动性、泌水率及强度等 影响较大,20 ℃拌合水温及 2% 胶凝材料质量的 AA 料掺量能显著降低材料的泌水率和增强其强度。现场监测结 果表明,最优参数下的材料充填开采后顶底板移近量较低,取得了良好的充填开采效果,在保障安全前提下极大地 降低了生产成本。     

薄煤层充填开采动态监测及工艺参数优化研究

基于充填效果受采充步距、顶板支护强度、充填体力学性能等多种因素影响、以及采空区充填后无法进行人工实时监测顶底板移近量、难以实时评判充填效果等问题,针对采空区顶板动态实时监测需要,研发了充填工作面采空区新型顶板动态仪装置,重点研究解决仪器高度、防水、实时在线监测等关键技术问题,并将其应用于薄煤层超高水材料充填开采工作面。结果表明:通过在充填过程中对顶板进行连续、实时的动态监测,得到了采空区实时顶底板移近量,并根据监测结果对充填体力学性能等充填工艺参数进行了优化设计,有效减少了顶底板移近量,将充填效果评价关口前置,达到了良好的应用效果。     

超高水充填沿空留巷矿压显现规律研究

结合充填开采留巷的实际情况,对超高水材料充填开采留巷围岩运动及控制机理进行了分析。采用数值模拟采空区充填率为70%、80%、90%的留巷围岩活动规律,得出随着采空区充填率的提高,充填开采留巷围岩应力逐渐降低、围岩变形逐渐减小。针对试验工作面的实际情况进行了包式充填沿空留巷的工程实践,现场实测超高水材料充填开采留巷顶底板移近量在60mm以内、两帮移近量在30mm以内,巷旁包式充填体的支承压力小于2.5MPa,能够实现长时间使用的要求,可为类似地质条件下的超高水充填留巷提供技术参考。     

超高水材料充填体长期稳定性监测研究与实践

超高水充填是一种以固化"水"为主要支撑体系的建筑物下开采技术,因此其充填体长期稳定性监测十分必要。田庄煤矿为保证超高水充填工作的顺利进行和对充填效果做一中肯的、系统的评价,在3605工作面安装了顶底板变形仪和压力传感器,对超高水充填体的压缩变形量和长期受力情况进行长期现场监测,以评价超高水充填体密实度和长期稳定性,观测结果表明超高水材料在三相受力下稳定性显著增强。     

金川矿山混合充填材料配比试验

充填料浆配比对充填体强度和砂浆输送特性产生重要影响。针对金川矿山棒磨砂供应严重不足,开展了棒磨砂、棒磨砂+河砂和棒磨砂+河砂+粉煤灰3种充填材料添加相同水泥的充填体强度、砂浆流动度、泌水率和沉降损失率的试验研究。试验结果显示,河砂与棒磨砂配比为2∶8的混合充填料与单一棒磨砂充填体强度相当,砂浆流动度、泌水率和沉缩损失率稍差,但满足金川矿山充填采矿要求。当添加水泥重量的30%粉煤灰后,不仅显著提高充填体强度,而且还可改善砂浆流动度、泌水率和沉降损失率;同时还降低棒磨砂浆充填料浆的分层度,有利于提高充填体质量和充填接顶率。研究成果已经应用于金川矿山充填料浆制备和工业化生产。     

超高水材料袋式长壁充填开采覆岩控制技术研究与应用

系统分析了超高水材料袋式充填开采采场覆岩结构的特点,得出了工作面支架需控岩层范围及其变化特征,揭示了长壁充填开采“支架-围岩”关系,明确了提高充填率是超高水材料袋式充填开采覆岩下沉控制的关键因素。结合亨健矿2515工作面充填开采地质与开采技术条件,开发并实施了隔板布置优化、采空区埋管补注浆充填、离层区打钻补注浆充填等充填率保障技术与工艺。现场实测结果表明,超高水材料袋式充填开采工作面矿压显现缓和、采场围岩破裂范围较小且能有效控制地表下沉：① 工作面巷道顶底板最大移近量为258 mm,两帮最大移近量为183 mm,围岩变形较小;② 微震监测系统表明,2515工作面超前破裂范围为20~30 m,围岩破裂高（深）度为顶板以上40 m至底板以下10 m,1个月后（推进距离60 m左右）已充填区域微震事件逐渐消失;③ 地表最大下沉量为265 mm,实测下沉系数为0.06。     

矸石膏体充填材料配比优化

为了合理确定岱庄矿矸石膏体充填材料的合理配比,采用均匀设计方法开展了28组实验,研究粉煤灰、水泥、矸石的不同配比对膏体坍落度、分层度、泌水率、充填体早期强度和长期强度的影响规律。基于关键层理论提出了充填体长期强度的计算公式,并采用Matlab软件拟合出了矸石膏体充填最优配比,即粉煤灰∶水泥为3.2、矸石∶水泥为4.5、料浆质量浓度为75.3%。该条件下对应的充填性能参数分别为:坍落度184.44 mm、分层度13.87 mm、泌水率1.48%、充填体早期强度0.16 MPa、充填体长期强度3.89 MPa,与实验结果基本吻合。     

充填料浆沉缩性及泌水性分析

煎茶岭镍矿充填接顶率仅为78%,充填后因空区面积较大、回采安全风险较高,造成支护强度大,采矿成本高。因此,开展了充填料浆泌水率及充填体沉缩性试验,通过试验发现不同物料配比及浓度对充填泌水率及充填体沉缩率影响较大,并得出-3mm机制砂合理级配参数。通过参数调整,提高了镍矿充填接顶率,使充填接顶率超过88%以上。     

基于等价采高模型的膏体充填开采沉陷预计

为了对膏体充填开采后地表沉陷规律进行研究,根据膏体充填开采的现场实践及充填材料的组成情况,建立了适合于膏体充填开采的等价采高模型.模型中等价采高由充填前顶底板移近量、充填欠接顶量、膏体充填体的收缩量及压缩量组成,计算公式中含有泌水率、膏体充填体的压缩率等参数.将建立的等价采高模型与概率积分法结合,对许厂煤矿130采区北翼保护煤柱采用膏体充填开采后产生的沉陷进行预计,结果表明膏体充填开采后地表产生的移动及变形较小,可以保证矿用铁路及附近建筑物用地安全使用.     

超高水材料充填系统优化及应用研究

为了提高超高水材料充填工艺的充填效率,优化设计了超高水材料制浆系统,并在店坪煤矿某工作面展开工程实践应用。结果表明,优化后的制浆系统能实现上料、输水及内外循环搅拌功能的自动化。通过监测工作面顺槽顶板下沉量可知,随着超高水材料充填体强度增长,顶板下沉速率逐渐降低,最终下沉量仅为150.5 mm。     

综放沿空留巷巷旁充填体设计研究

为了确定深井综放面沿空留巷巷旁支护体合理参数,基于某矿2302工作面实际情况建立了数值分析模型,确定了能够满足2302工作面前期切顶、后期保持基本顶稳定的支护体所需支护阻力,选择了矸石胶结充填材料,确定了支护体的材料配比,并分析了不同充填体宽度下应力峰值、顶底板移近量、两帮移近量等参数,确定了合理支护体宽度为1.6 m.现场使用效果表明,该支护体宽度的选择能够有效控制围岩变形。     

煤矿高浓度胶结充填材料配比优化分析

汾西矿业有限公司新阳煤矿的高浓度胶结充填材料主要由煤矸石、粉煤灰、水泥和水4部分组成。针对高浓度胶结充填材料配比的优化,为了减少试验次数,提高实验的精确程度,对实验数据采用正交试验法进行处理。结果表明:当粉煤灰∶水泥∶煤矸石为2∶1∶4.8,料浆浓度为78%时,高浓度充填料浆坍落度为252 mm,泌水率为4.9%,充填体28 d强度为4.21 MPa,可以满足煤矿充填开采要求。     

基于正交实验的赤泥-粉煤灰膏体充填材料配比优化

为了解决赤泥、粉煤灰等工业固废的堆放对环境产生的危害,同时降低矿山充填材料的高成本问题,试验采用拜耳法赤泥、粉煤灰制备矿山充填材料。采用正交试验方法以及MATLAB进行线性回归预测和3D可视化模型建立,得出影响赤泥基膏体充填强度及塌落度、泌水率的因素及回归方程。实验结果表明:料浆质量分数是影响塌落度的主要因素,其中58%料浆浓度的塌落度效果最好;赤泥粉煤灰比是影响充填料浆泌水率的主要因素,赤泥粉煤灰比为3∶2可以满足工艺要求;水泥掺量对试块的早期强度影响最大,料浆质量分数次之,赤泥粉煤灰比最小。因此,选择料浆浓度58%、赤泥粉煤灰比3∶2,水泥掺量10%为赤泥粉煤灰膏体充填的最优配比。     

固体充填胶结沿空留巷巷帮支护体优化设计

为提高固体充填胶结沿空留巷的效果,以唐口矿9301充填工作面为工程背景,对固体充填胶结沿空留巷巷帮支护体进行优化设计研究。通过对巷帮胶结充填材料的泌水率、强度等性能进行试验,分析了充填料浆的基本特性与胶结充填材料配比之间的内在联系与规律,最终确定了唐口矿巷帮胶结充填材料的配比。通过在唐口煤矿9301充填工作面进行工业性试验表明,优化设计的巷帮胶结充填体具有快凝早强,接顶良好的特点,沿空巷道变形量得到了有效控制。     

承压水上膏体充填率与充填体强度对底板破坏深度的影响

为解决承压水上安全开采问题,提出利用膏体充填方法,抑制底板破坏深度,减少突水危险的方法;针对岱庄煤矿下组煤1160采区受承压水威胁的地质条件,利用FLAC~(3D)三维模型,基于不同膏体充填的充填率与充填体强度,模拟了不同推进作业空间宽度下,应力分布、塑性区分布以及位移分布规律。模拟结果表明:当充填率达到95%,充填体最终强度提高到4 MPa时,工作面围岩应力集中系数在2左右,顶底板移近量为200 mm左右,底板破坏深度约为4 m。     

多位态空巷超高水材料充填技术与实践

为了解决庞庄煤矿-620上山煤柱综采工作面安全通过位置关系复杂的多位态空巷问题,研究和实施了超高水材料充填空巷技术.通过分析计算确定了超高水材料充填体的强度要求和材料配比,研究确定了充填空巷距离工作面顶底板间隔距离为5 m.工程实践表明,超高水材料充填多位态空巷技术成功解决了庞庄煤矿-620上山煤柱工作面过复杂空巷的难题,经济技术效益显著,对于综采工作面过空巷具有重要参考意义和推广应用价值.     

新强煤矿沿空留巷巷旁充填体参数确定

通过对巷旁充填体内应力的分布分析,计算出沿空留巷顶板压力及浆液扩散半径;并对现场沿空留巷巷旁充填体进行试验观测,研究巷旁充填体参数及巷旁充填体承载特性,对充填体变形特征、充填体受力特征、巷道围岩变形特征进行了分析。结果表明:充填浆液的扩散半径大致为5 m左右;随着距离回采工作面距离的不同,巷旁充填体内载荷的变化趋势大致可分为3个阶段;留设巷道顶底板的活动剧烈程度与工作面距离有关,进而导致巷道顶底板移近量不同。     

磷石膏膏体充填材料强度优化配比试验研究

为研究贵州开磷矿业总公司采用磷石膏和黄磷渣胶结充填采空区的可行性, 在实验室测试了磷石膏及黄磷渣的主要物理化学性质, 制备了不同浓度不同配比的充填料浆, 并测试其坍落度、泌水率和不同龄期的单轴抗压强度。采用正交试验设计优化磷石膏膏体配比, 并采用Mathematica对强度数据进行拟合, 得出本次试验的最优结果为;磷石膏膏体充填料的最优质量比为黄磷渣∶磷石膏=1∶4, 添加CaO质量为5%, 磷石膏膏体质量浓度为67%~68%。在该配比条件下, 磷石膏膏体充填体28 d单轴抗压强度为2.15~3.42 MPa, 可满足矿山安全生产需求, 并显著降低料浆泌水率。     

尾砂充填料浆泌水特性及其对充填体影响研究

通常认为充填配比固定时,尾砂充填料浆浓度决定充填体强度,但该观点未考虑料浆泌水对充填体的影响.利用测试模具,测试并分析了不同配比与粒级组成的尾砂料浆泌水特性及其对充填体的影响.研究发现:1)少量水泥添加即可显著抑制料浆泌水,采用微胶充填可实现充填采场泌水控制.2)料浆泌水会显著降低不同初始浓度料浆间的浓度差.但泌水后各...