孤岛充填工作面初采致冲力学机理探讨

孤岛充填工作面由于要控制采空区顶板下沉而导致工作面煤体支承压力分布变得复杂,造成冲击危险性评估方法不同于常规工作面,为了提供充填回收孤岛煤柱采场围岩稳定性分析的理论依据,以山东某矿孤岛充填工作面为背景,通过对孤岛煤柱覆岩结构及演化特征进行研究,建立了孤岛充填开采条件下“充填体-煤柱-顶板”力学模型,得到了充填工作面超前支承压力估算方法,提出了孤岛充填工作面煤体冲击失稳的判据。研究结果表明:① 采空区充填效果决定了上覆岩层下沉运动的空间以及与两侧采空区覆岩发生水平联动的范围,是影响孤岛煤柱覆岩结构演化特征的关键因素;② 受回采巷道切割及大直径钻孔卸压工程的影响,工作面煤体承载能力呈现明显的区域差异性,弹性承载区煤体是上覆岩层传递载荷的主要承载体,工作面开采边界条件和回采巷道布置方式是影响工作面煤体静态稳定性的主要控制因素;③ 充填材料受到采空区顶板下沉运动中压应力作用下发生压缩变形,当顶板和充填材料达到力学平衡时顶板下沉运动终止,充填材料固结体压缩变形量和弹性模量是影响工作面煤体动态稳定性的主要控制因素;④ 决定孤岛充填工作面冲击危险性的关键因素是工作面弹性承载区煤体静态支承压力和采空区顶板下沉量。针对这类冲击地压的致灾机理,通过煤层注水、高压水压裂及优化工作面布置以降低工作面弹性承载区煤体静态支承压力和提高采空区充填率、优化充填材料固结体压缩性能以减小采空区顶板下沉量等措施,可有效降低孤岛充填工作面的冲击危险性。该研究成果可为类似开采条件下冲击地压的防治提供参考。     

基于薄板理论的急倾斜工作面顶板初次变形破断特征研究

根据急倾斜煤层工作面顶底板地质赋存条件以及冒落矸石对工作面中下部采空区的充填特征,利用弹性薄板小挠度理论,建立了急倾斜工作面顶板的受力力学模型,研究了顶板在上覆岩层和下方充填矸石作用下顶板挠曲变形特征,得到急倾斜工作面下部采空区充填带宽度的理论计算公式和顶板变形挠度方程,结合龙煤集团七台河新铁煤矿工作面实际开采参数,分析出急倾斜工作面中上部顶板受力变形较大,下部顶板变形较小,最大挠度点距工作面上端头24 m处,最大变形量为320 mm,工作面中上部前方煤壁和后方煤壁处、上部顶板和中下部冒落矸石接触处将首先出现拉伸或剪切破坏,最后将形成"U"字型破断。研究结果与实际顶板受力变形相符。     

充填支架与顶板的相互作用关系数值模拟研究

为分析膏体充填开采充填支架与顶板的相关作用关系,确定支架参数和顶板受力的情况,采用数值模拟方法,研究了不同支护强度下充填支架对工作面顶板的下沉、离层、应力分布等影响。结果表明,充填工作面围岩破坏范围较小,充填支架对顶板下沉、离层和应力分布影响较小,顶板最大垂直应力大致为支撑强度的2倍。     

固体废弃物胶结充填开采上覆岩层移动影响分析

通过建立计算机数值模型模拟固体废弃物胶结充填开采上覆岩层移动规律,观测不同工作面推进距离上覆岩层移动特征,对比长壁开采与充填开采关键层移动,分析充填开采关键层运动与上覆岩层移动特征。由于采空区被矸石和粉煤灰等材料所充填,充填工作面矿压显现和上覆岩层移动规律与一般垮落法管理顶板明显不同。研究表明：胶结充填开采工作面周期来压步距大,来压强度不明显;关键岩层弯曲下沉,不会出现岩层破断现象。上覆岩层移动范围明显减小,对地表变形能有效控制。     

充填采煤法控制地表下沉数值模拟

以某矿12418工作面为工程背景,通过理论分析,建立"煤柱-充填体-煤壁"力学结构模型,分析了采空区充填后,充填体与围岩之间的相互作用关系。并利用UDEC建立二维离散元模型,模拟分析了工作面充填法开采与垮落法开采相比减小地表下沉的效果。结果表明:采用充填开采时,多个支撑点对上覆岩层载荷进行支撑,顶板的挠度值减小;地表最大下沉系数小,顶板未发生台阶失稳,采用充填开采可有效的控制上覆岩层运动,缓解地表下沉,保护地表建筑物。     

长壁矸石充填开采上覆岩层移动特征模拟实验

长壁矸石充填工作面采空区由于被充填材料占据,上覆岩层移动特征将不同于垮落法管理顶板,采用相似模拟和数值计算模拟工作面回采和矸石充填过程。通过改变支架初撑力和工作阻力、充填材料的夯实力,模拟不同充填率情况下上覆岩层应力变化和岩层移动特征,结合现场实测结果认识长壁矸石充填开采上覆岩层移动规律。研究发现：支架工作阻力对充填效果影响显著,充填支架高初撑力和工作阻力可以限定顶板的变形,保证足够的时间使更多的充填材料充进采空区,进而减小缓慢下沉带高度,控制地表变形。采空区内充填材料限制直接顶的变形、下沉以及冒落,直接顶以断裂和冒落为主,冒落后整齐地排列在采空区矸石上。基本顶以弯曲下沉形式随直接顶移动,上覆岩层冒落高度显著降低。     

大倾角煤层长壁开采覆岩走向受载与破坏特征

对围岩的有效控制是大倾角煤层长壁工作面安全高效开采的关键,以2130煤矿25221大倾角综采工作面为研究背景,采用"理论分析+模拟实验+现场监测"相结合的研究方法,在对工作面矿压显现规律及其成因综合厘定与分析的基础上,通过构建采空区矸石充填模型和顶板走向力学模型,系统研究了采空区矸石的非均匀充填特征及其非均衡约束下工作面倾向不同区域顶板沿走向岩体结构的受载与失稳特征。结果显示,采空区矸石充填特征在工作面走向和倾向均呈现出非均匀性,在工作面倾向中上部区域支架后方采空区底板上易形成倒三角自由面,且其非均匀性随着煤层倾角、采高和工作面长度的增大而增大。在垮落矸石非均衡约束效应影响下,顶板的受载与变形破坏特征不仅在工作面倾向具有明显的非对称特性,倾向不同区域顶板沿走向的受载与变形破坏特征及其所形成围岩结构的基本形态之间亦存在显著差异。沿工作面倾向自下而上,受采空区矸石充填量与密实程度逐渐减小、矸石与支架间距离逐渐增大的影响,采空区充填矸石对工作面围岩稳定的贡献度逐渐减弱,围岩的运移空间、频次和幅度等逐渐增大,围岩结构的稳定性逐渐减弱,支架的受载量及其变化幅度逐渐增大,"支架-围岩"系统的稳定性等逐渐减弱,且易形成较大来压。     

膏体充填弹性地基梁模型分析及应用

基于弹性地基梁解析方法,考虑影响长壁充填开采地表沉陷的3个关键因素,建立该条件下的力学模型,推导直接顶岩梁挠曲微分方程。根据其解析解,分析了覆岩移动的各影响因素,充填区和煤体内支承压力分布、顶板剪力等矿压显现规律,并分析了直接顶挠曲和地表下沉的关系。结果表明：直接顶岩梁的最大下沉值在采煤工作面后方5~15 m,充填体弹性地基系数是影响下沉的最重要因素,充填区支承压力的分布也随该系数的不同而变化;控制直接顶挠曲和地表下沉的最有效途径为提高充填体弹性地基系数,同时减少充填体欠接顶量。小屯矿膏体充填工业试验表明,地表最大下沉实测值为380.3 mm,解析法预测值为401.8~591.2 mm,两者很接近。     

超高水材料长壁工作面充填开采顶板控制技术

为研究充填工作面长度对岩层控制效果的影响,指导长壁工作面充填开采实践和为围岩变形控制提供依据,基于超高水材料的基本性能试验,利用差分法薄板理论建立了超高水材料长壁工作面充填开采顶板活动力学模型,得到关键层的预计变形量,分析充填工作面长度对关键层变形及破坏的影响,提出了长壁工作面充填开采顶板控制理念。研究结果表明:采空区顶板下沉最大挠度值随着工作面长度的增加而增加;要维持关键层不发生断裂,必须保证工作面长度和控顶长度在一定范围内。对比冀中能源陶一煤矿充1~5工作面(工作面长度50~60 m)和充6工作面(工作面长度120 m)充填开采实际情况,提出并应用地面充填系统构建、充填液面提高、隔离带设置、工作面锚网索支护4种长壁工作面顶板控制技术,有效地抑制了顶板变形,同时保证了良好的充填效果。     

急倾斜走向分段充填顶板初次断裂应力分布规律

根据急倾斜煤层综采走向分段充填开采采空区下部自然冒落矸石和充填柱体布置特点,利用弹性薄板理论建立了急倾斜综采走向分段充填的力学模型,推导了顶板在上覆岩层、自然冒落矸石和采空区分段充填共同作用下的变形挠曲方程。以湘永煤矿2463工作面为背景,分析了顶板应力分布及演化规律。结果显示:(1)顶板产生应力集中和最大不均衡力均出现在工作面中上部位置,说明工作面顶板应从中上部位置最开始变形破坏;(2)在不同充填比条件下,采空区分段充填比越大,顶板受力就越大,挠度反而越小;(3)顶板应力平均值随着充填体强度和煤层倾角的增大而增大,而剪切应力平均值却是随着充填强度的增大而减小,剪切应力随着煤层倾角增大而增大。充填体强度越大对改善顶板受力状态的作用也越大;而煤层倾角越大,顶板的应力和剪切应力值增大,且分布更为不均。利用FLAC3D进行数值模拟得到的应力分布结果与通过挠曲方程得出的应力分布与演化结果基本一致。     

超高水材料开放式充填FLAC3D数值模拟应用研究

超高水材料是一种新型的采空区充填材料,以该材料为基础的采空区开放式充填技术具有充填工艺简单,初期投资低,机械化程度高,充填与开采互不影响等显著优点.结合超高水材料充填工艺的特点,采用FLAC3D数值模拟软件,模拟不同开采方式下采空区上覆岩层的移动情况,分析了超高水材料控制顶板下沉,抑制地表沉陷的机理.陶一煤矿充填试验面...     

老厂矿田14#-5矿体胶结充填采矿法接顶问题的探讨

针对高品位、高价值、高含硫发火特性、缓倾斜中厚的多金属接触带硫化矿体,选用上向式水平分层胶结充填法开采,在传统接顶方法人工接顶和砂浆加压接顶都不适用的情况下,提出用胶结充填料浆在采空区内流动后的“自然安息角”来设计接顶方法--砂浆自然安息角法,并提出了矿体顶板围岩近似水平或呈水平状态,充填滤水井一侧的顶板围岩较另一侧高（即顶板围岩的倾角大于6°的情况）和充填滤水井一侧的顶板围岩较另一侧低的情况下,以设计施工倒立喇叭口或施工充填小上山来达到接顶目的的3种接顶方法,对使用充填采矿法的矿山无疑具有很好的借鉴意义。     

王台铺煤矿高水膨胀材料充填管路布置研究

为了提高王台铺煤矿高水膨胀材料的充满率,采用理论计算和技术分析探讨了充填干路管选型、布置和工作面管路布置方式,并进行了试充填工业性试验。研究表明:在垂深235m的情况下,内径139mm的充填管路满足120m3/h的充填能力要求;在采高2.6m的条件下,充填干路管和工作面充填管沿顶板布置稳定可靠;工作面管路出浆口布置是影响支巷充满率的一个重要可控因素,布置在支巷最高点处比布置在巷口更有利于充满率的提高,试充填中两者的充满率分别达到了100%和93%。     

长壁综采矸石与粉煤灰充填技术及地表沉陷分析

固体充填开采能够有效兼顾煤炭开采经济效益与环境效益,是一种较好的绿色开采技术,在国内获得初步应用,但实测资料较少。介绍邢台煤矿7606工作面长壁综采矸石与粉煤灰充填采煤工艺,并结合观测站实测资料和FLAC3D数值模拟手段,研究固体充填开采在减少地面下沉中的作用,并研究不同充填率和充填体不同弹性模量条件下地表下沉规律。通过观测站实测结果分析,固体充填开采在减少地面下沉方面效果明显。通过数值模拟分析,随着充填率由100%逐渐减少,地表下沉最大值则逐渐增加,充填率对地表下沉的影响很大。随着充填体弹性模量从0.24GPa增大到24GPa,地表最大下沉值迅速减小,但当充填体弹性模量增大到4GPa以后,地表移动变形值的变化不很明显。     

深井沿空留巷充填区顶板支护技术

针对深井高地应力条件下沿空留巷过程中沿空巷道直接顶顶板松散、破碎、长期大变形的现象,提出了沿空巷道充填区顶板支护成套技术。该技术包括沿空巷道围岩时间、空间非线性变化规律,充填区顶板受力特性和分区域支护。在分析深井巷道围岩运移规律和充填区直接顶受力特性基础上,认为充填区直接顶为顶板控制的关键区域之一。将充填区顶板细化为4部分:实体煤区域,超前撕帮区域,工作面液压支架区域和已充填区域,并分别提出针对性的支护技术。经朱集1111(1)工作面沿空留巷工业实践检验,效果良好。理论成果对于相似条件的工程具有借鉴指导意义。     

俯伪斜采煤法基本顶破断的力学分析

为弄清俯伪斜采煤法基本顶破断的具体情况,以某俯伪斜采煤法的悬露基本顶为研究对象,应用弹性薄板理论,建立了俯伪斜基本顶的力学模型,分析并得到了充填体对基本顶的支撑载荷函数,运用李滋法和挠度的叠加原理,推导出基于采空区充填的俯伪斜基本顶挠曲函数,并对基本顶的破断过程进行了分析。研究结果表明：由于冒落矸石在采空区的不完全充填,导致俯伪斜基本顶的挠度沿倾向不对称,最大挠度为60.9 cm,位于倾斜中上部;基本顶沿倾斜方向由上向下分段破断,并且形成相对稳定的铰接结构,分段岩块沿走向破断距也有差别,倾斜中上部破断距小于下部。理论计算分析的结果与现场的矿压监测情况基本一致。     

复杂环境下的空区顶板岩层移动破坏响应特征研究

为了使赋存于构造应力及河床等复杂环境下的某萤石矿矿体能被安全回采,依据矿山设计总体框架,研究采用现场监测和数值计算手段,分别分析了干式充填和灰砂比1∶4胶结充填采矿作业对空区顶板覆岩移动破坏的响应特征。研究结果表明灰砂比1∶4胶结充填采矿工艺能有效控制空区顶板覆岩移动破坏;干式充填采矿在空区顶板覆岩产出的下沉变形值、主应力差值及塑性破坏区等破坏特征值明显偏大,且采空区顶板覆岩遭受多次剪切破坏,裂隙带与河床贯通,不能保证矿山的安全顺利生产。     

似膏体充填开采采场稳定性及顶板移动变形的数值模拟与分析

以济宁矿业集团太平煤矿工程概况为试验背景,借助于FLAC3D数值模拟程序数值模拟似膏体充填开采工艺,揭示了似膏体充填开采采场稳定性及顶板移动变形规律,为似膏体充填开采实践提供了理论指导与技术支持。     

罗克休泡沫处理大冒高巷道顶板事故

为了及时有效地处理复杂地质条件下巷道的冒顶事故,确保不影响矿井正常生产和巷道外观形状,结合工程实例,介绍利用罗克休泡沫材料的高速成形、高膨胀率,实现了大冒高巷道冒顶事故分3次快速充填的施工工艺和过程,并对罗克休泡沫充填冒顶区的注意事项进行了分析。     

单元式充填液压支架研究

单元式充填支护系统采用条带开采的减沉理念,使用新型充填液压支架,仅需将高水充填材料注入采空区条带范围内,待充填材料凝固后即可控制顶板及上覆岩层活动。实践证明,上述方法采煤效率高,充填成本低,能够有效控制地表变形。