充填矸石夯实模拟试验台的研制及应用

为研究矸石散体在限定空间下经过横向推压之后的固结成型特性，基于充填工作面的充填夯实过程和充填支架捣实机构的工作原理，模拟充填工作面的组成部分，自主研制了一套结构简单操作方便的充填矸石夯实模拟试验台，并应用该模拟试验台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。研究结果表明：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，矸石充填夯实模拟试验台的研制及应用，对优化现场矸石充填开采技术提供一定参考意义。     

限定顶板条件下矸石充填体横向推实特性试验研究

基于相似模拟原理,自主设计了一套模拟试验台,通过对充填矸石散体横向推压,利用推压安息角和体积变化率这2个变形参数,分析研究了放料步距、横向推力、含水量和黄土掺量对充填矸石散体在限定顶板下推实特性的影响规律。试验结果表明,放料步距的增大不利于矸石散体推压后的固结成型;横向推力增大,有助于矸石散体的固结成型,横向推力1.25 k N是推压安息角增大和体积变化率曲线斜率变缓的拐点;含水量对矸石散体推实特性影响较为显著,在横向推力5.0 kN和7.5kN条件下,当含水量达到3%,矸石散体开始固结成型。黄土掺量对矸石散体的推实特性影响最显著,黄土掺量超过4%后,对矸石散体推实特性影响相对减弱。     

不同级配矸石压实特性数值模拟研究

为研究矸石散体在夯实机构推压过程中的压实特性,建立了矸石颗粒形状模型,通过测量矸石自然安息角的方式获得了矸石的接触参数,并采用离散元法和实验室模拟试验结合的方法,开展了粒径级配对矸石压实特性影响规律的研究。研究结果表明:泰波系数n取0.4时的连续级配为最优矸石粒径级配,压缩率最低;压实力为3MPa时矸石散体的密实度明显增大,为最优的压实力;EDEM软件适用于某矿快速、有效地寻找矸石充填的最佳粒径级配,为现场矸石充填应用提供参考。     

矸石充填体振动推压过程的颗粒流模拟研究

为提高综采充填过程中矸石充填体的密实程度,利用颗粒流PFC2D程序,建立了矸石充填体模型,研究了振动对充填体压实效果的影响。结果表明,在充填支架推压板推压过程中,引入振动机制,能有效减缓推压板的应力增加速度,在相同应力下,使推压板行进更大的距离,大大提高充填体密实性。增大频率或振幅均能增强颗粒体系的流动性和颗粒间孔隙填充,从而迅速将推压板的压力分散到整个体系中,降低推压板应力和孔隙率,提高夯实效果。     

矸石充填液压支架夯实机构的优化设计

影响充填开采上覆岩层控制效果的关键因素是矸石的充填率和密实率。为提高矸石充填率和密实率，唐口煤业有限公司充填液压支架增加了夯实机构对充填矸石进行夯实处理。通过提高铰接点高度，采用中部无动力随动型二级伸缩夯实机构，ZC7500/20/40(B)改进型充填液压支架在井下进行了将近1 a的工业性生产试验，充填效果达到了预期的设计目标，为类似条件矿井的充填开采提供了技术借鉴。     

大倾角走向长壁伪俯斜采场支架稳定性分析

大倾角伪俯斜工作面安全高效开采的基础是对"支架-围岩"系统的稳定性控制,受工作面矸石非均匀充填及倾角影响,"支架-围岩"系统稳定性控制困难。以某矿3132工作面为研究背景,采用物理相似模拟实验与理论分析相结合的方法,研究了大倾角煤层伪俯斜采场垮落矸石充填时空演化规律,及其影响下的"支架-围岩"系统相互作用关系,建立了支架力学模型,确定了工作面伪斜角和矸石作用力对支架临界阻力的影响。结果表明:伪俯斜采场矸石滑移充填经历初步充填下部区域→矸石倾向下滑→充填凹陷区域3个阶段;采空区充填体接顶区长度随煤层倾角、直接顶厚度和工作面长度的增大而增大,随伪俯斜角和采高的增大而减小,临空区长度随煤层倾角、采高和工作面长度的增大而增大,随伪俯斜角和直接顶厚度的增大而减小,矸石的非对称堆积形态改变了顶板的受力条件与破断特征,支架受载呈现明显非对称性和区域性特征;伪俯斜采场垮落矸石对支架尾部频繁产生冲击作用和接触作用,防止支架下滑和转动失稳的临界阻力随着矸石作用力的增大而增大,随着工作面伪斜角的增大而减小,工作面中、下部区域的支架比上部区域支架需要更大的支撑阻力抵抗矸石的影响;工作面现场监测结果验证了理论模...     

基于振动性态分析的矸石固体充填效果评价方法研究

为进一步提高充填效率、保证充填质量,采用实时压实监测技术,研究一种基于振动性态分析的矸石固体充填效果评价方法。根据现场充填工艺产生的实际作业夯实离顶距机理,并基于振动压实理论,探讨了推压密实机构加速度与充填效果之间的数学关系,提出一种基于加速度与密实充填率的充填效果评价依据|通过分析充填物料压实机理,采用压实监测值(Compaction Value,CV)作为充填物料压实状态的表征指标,深入剖析了推压密实机构加速度波形及振动强度变化规律对充填效果的影响,并建立矸石物料充填效果快速评估模型。试验结果表明：CV与充填体压实度之间存在很强的相关性,所建立的压实度回归模型精度较高。该方法可实现对充填效果的快速评估,为提高充填开采效率提供了一条新途径。     

矸石充填液压支架夯实机构改进设计与应用

针对矸石充填液压支架原夯实机构出现的夯实千斤顶上腔接头座磨损漏液问题，分析了夯实机构磨损的原因，对夯实机构进行了改进设计。生产实践证明，对矸石充填液压支架夯实机构的改进解决了摆梁体框口磨损和夯实千斤顶上腔接头座损坏的问题，显著提升了煤矿生产安全性和经济效益。     

邢东矿充填自动化控制技术研究

以邢东矿11233自动化矸石充填工作面为背景,系统地介绍了该矿矸石充填工作面的设备配置,矸石物料地面投放和井下运输方案,充填输送机运输能力增大和落料频次控制;优化充填捣实结构增加了其可靠性并进行自动控制研究保证充填率;通过支架结构位置计算,在充填刮板输送机和捣实机构安装红外线和测高传感器,避免了其相互干涉,实现了捣实机构动作的自动运行;利用先进的电液控制技术,完成了充填工作面的设备升级和工艺创新,形成了自动化充填控制理论,实现了自动化采煤和矸石充填。该技术研究通过在11233矸石充填工作面的实践,生产效率得到了提升,工作面具备月产6万t的生产能力,达到实现全矿井实现充填开采的研究目标。     

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。     

特厚煤层矸石充填控制岩层变形特性研究

为研究特厚煤层在矸石充填下岩层变形特性，以某矿矸石为充填材料，采用侧限压缩试验研究其在压应力下的变形特征，并采用FLAC^3D建立数值模型，将侧限压缩试验中压实8 MPa的矸石的弹性模量应用至数值模型中，对比分析充填和未充填两种开采模式下的岩层的受力及变形。研究结果表明，矸石充填体变形特征表现为随着载荷的持续增加应变量逐渐增加，且两者呈现对数函数关系，应变量前期变化明显，后期逐渐减小；矸石充填开采后，对比未充填时岩层的位移量明显减小，且应力在岩层中分布更加均匀。试验和模拟结果均表明，矸石的压密致使充填体的变形趋于稳定，从而可以承担上部压力。     

液压支架矸石充填捣实机构的结构分析

矸石充填是当前煤矿生产中常用的一种充填方式,用于液压支架后部的矸石捣实机构是充填工作的关键设备。矸石捣实机构有单级捣实机构和双级捣实机构,其支撑方式有下部推拉及上部吊挂等多种形式。根据现场使用经验,对结构进行了分析,并对充填开采方法提出一点建议。     

官地矿充填垮落协同开采技术方案优化研究

针对官地矿36408工作面充填垮落协同开采方案进行优选研究,阐述了充填协同开采的理论依据;针对36408工作面的具体条件,提出了3种开采方案:充填垮落协同开采(不夯实)、充填垮落协同开采(夯实)、全断面全部充填方案,通过对比分析,最终选定方案一,并配备了ZC-5200/20/40(带夯实机构)的充填液压支架;最终计算得到在方案一情况下设计生产能力为117.1万t/a。     

急倾斜煤层伪俯斜走向长壁工作面煤壁破坏机理

急倾斜煤层走向长壁工作面煤壁和底板容易发生破坏,严重影响工作面的正常推进。通过理论建模、底摩擦实验、数值计算等方法,研究了煤层顶板破断与冒落矸石滑动特征,揭示了不同煤层赋存和开采条件下煤壁破坏机理,并提出了防治煤壁破坏与底板滑移的具体措施。研究发现:急倾斜煤层走向长壁工作面顶板冒落的矸石会对采空区形成不同程度的充填,自下而上依次为“密实充填段”、“不均匀充填段”、“非充填段”3段,而工作面中上部区域由于充填不充分,动压现象明显,容易造成严重的煤壁片帮和底板滑移现象,支架的工况随之也会变差,成为整个工作面围岩稳定性最脆弱的区域,严重影响到工作面的安全高效生产,是采场围岩控制的重点区域;工作面底板稳定性显著影响煤壁的稳定性,实际生产中发现,在煤层赋存和开采条件不同时,煤壁破坏一般会呈现出“塑性-流动”、“挤出-滑移”、“剪切-滑移”3种破坏模式;工作面采用伪俯斜布置不仅可以显著提高煤壁和底板的稳定性,也可以有效阻止液压支架倾倒和下滑,还可以避免工作面飞矸发生,配合整体推刮板输送机和“柔性加固煤壁”等技术可以实现急倾斜煤层走向长壁工作面安全高效开采,有效解决急倾斜煤层机械化开采所面临的一系列岩层控制难题。     

煤矿塌陷区不同复垦材料土壤压实机理的研究

为研究煤矿塌陷区土地在不同的碾压程度下,建筑垃圾、粉煤灰和煤矸石3种填充材料对土壤颗粒组成的影响,探究土地复垦过程中土壤粒径变化的敏感粒径范围及与试验地块所受压力的相关性。试验模拟履带式推土机碾压力度,采用Winner2000激光颗粒仪量测各地块的土壤颗粒组成,通过SPSS做碾压力度与土壤颗粒组成的相关性分析。研究确定了3种填充材料压实强度与土壤颗粒组成的数量关系。研究结果表明：① 在粒径2.2~10.48 μm内,随着碾压次数的增加,试验地块的土壤颗粒含量百分比不断升高,且煤矸石填充地块变化最明显;② 经不同程度的碾压后,建筑垃圾、粉煤灰和煤矸石填充地块“物理性黏粒”总含量百分比的最大值分别为25.29%,26.66%和36.89%,煤矸石填充地块碾压1次后“物理性黏粒”含量百分比即为28.91%,高出对照耕地9.68%;③ 建筑垃圾、粉煤灰、煤矸石填充地块的土壤颗粒含量与压力相关性最强的粒径分别为4.83~10.48,4.83~5.86和4.83~5.86 μm,相关性系数分别为0.926,0.899和0.699。     

薄煤层含硬夹矸工作面支架阻力与煤壁破坏的关系分析

针对薄煤层含硬夹矸难开采的问题，提出了合理利用工作面支承压力对夹矸进行破坏的思路，分析了支架作用对覆岩运动的影响；得出对于含有硬夹矸煤层并不是支架支撑力越大越好。计算了采场顶板安全控制所需的最低支护强度为0.33 MPa，以此为基础，计算得出每一架支架的最低工作阻力2 200 kN。最后，模拟了支架采用不同的工作阻力时，煤壁前方的支承压力分布参数演化特征，重点分析了支架工作阻力改变对于夹矸破坏的影响。当支架工作阻力采用2 200 kN时垂直应力峰值达到了29.214 MPa，此时夹矸破坏深度达到0.7 m，该值已经大于一个截深，能够有效提高割煤效率。     

大倾角薄煤层沿空留巷围岩控制技术

针对新庄孜矿62110工作面上风巷倾角大、煤层薄,且该留巷维护时间长、变形大,分析了该条件下巷道围岩支护的特点,提出了采用架喷锚注和巷帮充填对留巷进行联合支护,并应用FLAC2D5.0软件模拟分析了不同充填墙体尺寸对留巷效果的影响。矿压观测结果表明:采用架喷锚注支护后,随工作面向前推进及充填墙体强度增加,墙体承受的压力逐渐加大,巷道移近量呈跳跃性减小性的趋势。