孤岛煤柱矸石膏体充填开采相似材料模拟

根据相似原理,通过相似材料试验,对孤岛煤柱矸石膏体充填开采过程中支承压力分布规律以及采场围岩相互关系进行了研究。结果表明矸石膏体充填并没有改变工作面煤壁前方应力赋存状态,仅仅是改变了应力大小;随着工作面推进,采场形成"煤柱-充填体-煤壁"支承结构共同支护顶板,而充填体对煤柱提供侧向约束作用,既可提高了煤柱的稳定性,又可减小了煤柱的宽度,提高煤炭回收率。     

水体下急倾斜煤层采空区矸石充填顶板控制

采用数值计算和物理模拟方法,分析了水体下急倾斜煤层开采采空区矸石自溜充填顶板控制效果。结果表明：采空区矸石充填可以有效降低工作面顶板下沉挠度,减小区段平巷围岩变形;矸石充填限制了相邻分带煤柱的横向变形,减小其变形破坏程度以及降低相邻分带回采时的矿压显现;矸石充填使覆岩内的应力发生转移和重新分布,有效降低了覆岩导水断裂带的高度,减少了防水煤柱的塑性破坏范围。     

胶结充填采场顶板承载特性及煤柱稳定性分析

为研究连采连充式胶结充填采场顶板承载特性及煤柱稳定性,基于FLAC3D建立数值模型,分析了顶板交替承载特性,研究了顶板主次承载结构的转换规律,揭示了煤柱应力释放及变形规律。基于煤柱两侧约束条件的差异性,建立了煤柱应力分布的力学模型,得到了应力集中系数、临时支护强度、埋深等因素对煤柱极限承载宽度的影响规律。通过煤柱与充填体协同承载的数值模拟,揭示了充填体宽度对煤柱承载特性的影响规律。结果表明:采场顶板承载结构随工作面推进而变换,且在煤柱与充填体协同承载阶段,煤柱为主要承载结构,随煤柱的逐步采出,充填体逐步过渡为主要承载结构;煤柱应力平衡区宽度与临时支护强度呈反比,且与工作面埋深和应力集中系数呈正比,提高临时支护强度,能显著降低临空面破碎区范围,减小极限平衡宽度;增加充填体宽度可保障煤柱稳定。在昊源煤矿中,通过提高充填体强度与充填率,提高充填体对煤柱的约束效应,有效保障了煤柱稳定性,为类似条件下煤柱变形控制提供参考。     

带—网—栓式矸石袋巷旁充填支护体力学性能研究

针对沿空留巷中矸石充填体的大流变性和低支护强度等问题,提出带—网—栓式矸石袋巷旁支护技术方案。该技术选取钢带、锚网、锚栓等作为矸石袋的侧向支护材料,以此约束矸石袋的横向变形、增加矸石袋的围压,最终提升矸石充填体的支护性能。通过对矸石充填体的侧向分别添加钢带、锚网、锚栓进行承压力学试验后,矸石袋的最大承载能力提高了2～5倍。同时,该技术在山西左权天一煤业公司3102工作面进行了工业试验,结果表明其具有促使巷道围岩变形减小、巷旁支护效果显著等优点,取得了较好的经济技术效果。     

带-网-栓式矸石袋巷旁充填支护体力学性能研究

针对沿空留巷中矸石充填体的大流变性和低支护强度等问题,提出带-网-栓式矸石袋巷旁支护技术方案。该技术选取钢带、锚网、锚栓等作为矸石袋的侧向支护材料,以此约束矸石袋的横向变形、增加矸石袋的围压,最终提升矸石充填体的支护性能。通过对矸石充填体的侧向分别添加钢带、锚网、锚栓进行承压力学试验后,矸石袋的最大承载能力提高了2~5倍。同时,该技术在山西左权天一煤业公司3102工作面进行了工业试验,结果表明其具有促使巷道围岩变形减小、巷旁支护效果显著等优点,取得了较好的经济技术效果。     

沿空留巷矸石墙代替煤柱喷浆控制技术

针对深井高应力巷道沿空留巷围岩控制困难的问题,提出了沿空留巷矸石墙代替煤柱喷浆控制技术。通过袋装矸石砌筑成墙作为沿空留巷的承载隔离墙,对袋装矸石墙表面喷射纤维混凝土,以提高矸石墙的承载能力。通过数值模拟研究矸石墙宽度、喷浆层厚度和钢纤维掺量对矸石墙垂直应力和变形的影响。结果表明:最佳矸石墙宽度为3.0 m,最佳喷浆层厚度为70mm,最佳钢纤维掺量为60 kg/m~3。通过现场观测得出巷道顶板最大下沉量为88 mm,说明沿空留巷矸石墙代替煤柱喷浆控制技术能够有效控制顶板岩层。     

综放工作面膏体充填条带开采研究

为解决"三下"压煤的煤炭资源浪费问题,结合某矿生产实践,设计膏体充填条带开采。首先分析条带充填开采的可行性,即滞留条带煤柱宽度大于安全开采宽度;其次计算充填体载荷,得出充填体容许载荷为2 MPa,最大危险载荷为17.4 MPa;最后进行膏体配比及强度试验,试验得出:膏体胶结料作为胶凝材料时膏体的强度比用普通水泥的充填体强度高,在28 d时的强度是后者的2.09倍,且弹性变形能力更强,保证了充填效果。监测实践表明,充填开采期间,地表沉降量仅为115 mm,既减小开采对地表沉陷的影响,又提高资源利用率。     

高应力区超高巷采矸石充填采煤技术

煤炭资源开采导致了严重的塌陷破坏和生态环境问题。结合某矿高应力试验区边角煤的相关条件,开发巷采矸石充填置换边角煤技术,对煤柱的稳定性进行了分析,并对高应力区巷采矸石充填开采沉陷进行了预计。研究结果表明,在高应力区进行采高5.8 m巷采矸石充填开采是可行的。需分两步进行:早期贮矸空间两侧煤柱的宽度取15 m,掘进巷道宽度取5m;后期待早期的巷采贮矸空间完成充填后,在原留设的15 m煤柱中间再掘后期的贮矸空间,宽度仍为5 m,两侧剩余煤柱各为5 m,煤柱稳定性系数均大于1.5。地表移动与变形最大值分别为:下沉169 mm,水平移动60 mm,水平变形0.2 mm/m,曲率0.002 m-1,倾斜0.5 mm/m,远远低于一般建筑物受采动影响的临界变形值。     

内部填充型矩形开口矿柱承载特性研究

为研究部分充填置换高强度充填材料对矩形开口矿柱力学承载特性的影响。采用中机电子万能试验机和DS5型声发射信号采集系统,对不同开口宽度的矿柱试样开展了单轴载荷作用下破坏全过程的力学承载特性试验,在破坏过程中采用快速相机进行监测和记录,总结了充填高强度充填材料填充矩形开口矿柱的力学承载特性和破坏机理。结果表明：无充填矿柱试样(Ore Pillar Bearing, OPB)和充填矿柱试样(Ore Pillar-Filling Bearing, OPFB)模型试样变形破坏分为孔隙压密阶段、弹性变形阶段、屈服阶段和峰后破坏阶段,与AE振铃计数演化特征同步响应;OPB模型试样b值曲线缓慢下降,而OPFB模型试样b值曲线呈平缓趋势,高强度充填材料能有效改善脆性材料的应变软化现象,且对破坏后残余强度的提升影响最大;OPB和OPFB模型试样抗压强度及弹性模量随着掘充宽度的增加而减小,OPB模型试样由劈裂破坏面转向剪切破坏面,呈现延性向脆性破坏转变,OPFB模型试样呈现出延性破坏。研究可为矿柱的回收和稳定提供科学依据。     

深井超高水充填工作面小煤柱稳定性规律及控制技术

为了探究充填工作面合理煤柱尺寸,以山东义能煤矿为工程背景,构建了"充填体-煤柱-充填体"结构力学模型;通过研究不同煤柱尺寸内部破坏状况确定损伤程度,提出了煤柱承载分尺寸分区分级特征;利用UDEC软件模拟分析了10、6、3、1 m宽度煤柱的竖向应力大小、塑性区发育及变形特征。结果表明:随煤柱宽度减小,竖向应力递减最小至16.5 MPa,塑性区范围不断增大,煤柱变形不断增大。按照煤柱应力与变形特征"象限法"探究了不同宽度煤柱稳定性,并结合安全、经济等因素,确定了超高水充填开采条件下小煤柱合理宽度为3 m;提出通过锚杆锚网联合支护及煤柱注浆封堵技术控制煤柱稳定性,设计了注浆流程、材料、时机、压力等参数,为深井充填工作面安全高效开采提供有效保障。     

深部厚硬顶板下充填面留巷大变形分析及控制

为控制深部充填开采的沿空留巷大变形,以山东某采选充一体化矿井充填工作面留巷为工程背景。综合运用理论分析、数值模拟和现场实测的方法,分析了沿空留巷大变形的影响因素,建立了厚硬顶板下充填开采沿空留巷结构力学模型,结合等价采高原理得出了厚硬顶板充填面充实率与留巷顶板下沉量之间的关系,并据此提出了留巷大变形的控制对策:优先加强留巷侧采空区充填;提高矸石墙强度;优化矸石墙支护参数。采用FLAC~(3D)软件计算分析了在不同的采空区充实率、留巷侧加强充填段长度、矸石墙强度、矸石墙支护让压距离下的巷道变形控制效果。选取不同工程条件下的留巷区域进行巷道位移观测,实测结果表明,在充实率较高的留巷区域,采取合理的让压支护方式可有效控制留巷围岩大变形。研究结果表明,充实率较高的情况下,厚硬顶板整体向采空区侧发生回转,实测顶板下沉量与所建留巷结构力学模型计算结果较为吻合;充实率是影响留巷大变形的主要因素,随着采空区充实率增大,采场的矿压显现强度明显弱化,留巷顶板的下沉量明显减小;采取适当的留巷侧加强充填措施,可在充填矸石量不足的情况下,有效控制留巷顶板下沉;提高矸石墙强度、选择合理的矸石墙支护让压参数可以有效控制矸石墙的侧向大变形。尚需开发高强度、低成本、易施工的混凝土材料作为巷旁支护体,研究工作面单侧加强充填的矸石物流、工作面设备配套问题。     

深部充填沿空巷道护巷煤(岩)体受力特征及稳定性分析

为研究深部充填工作面沿空巷道护巷煤(岩)体受力特征及其稳定性,以山东新巨龙矿1302N-2#充填工作面为工程背景,通过理论分析、数值模拟和现场实测对沿空巷道护巷煤(岩)体受力特征和围岩变形进行分析和研究。结果表明:通过得出的护巷煤(岩)体的最小宽度计算公式和沿空巷道所受应力初步确定了留巷矸石墙和掘巷煤柱宽度;充填开采留巷围岩变形主要受充实率影响,充实率越小,护巷矸石墙宽度越大,留巷越不稳定,保持留巷稳定的充实率需达86%;采空区充填沿空掘巷时,煤柱越宽其所受垂直应力越大,结合巷道变形和现场实际充实率确定沿空掘巷煤柱留设为5 m。工程实践表明,沿空留巷不能满足使用要求的主要原因是充实率不足,采用所确定的留(掘)巷参数,巷道变形量在合理范围内,证明了所选参数的正确性。     

大采高过联巷空顶-煤柱-支架耦合承载与控制分析

大采高工作面过空巷覆岩运动复杂,空巷极易变形失稳,严重影响工作面推进速度。通过对大采高工作面过空巷围岩变形破坏特征及失稳原因分析,探讨工作面过空巷顶板稳定性影响因素,建立大采高工作面过联巷空顶-煤柱-支架耦合承载力学模型,确定大采高工作面过联巷煤基充填体强度、变形与最佳水灰比,提出大采高工作面过联巷空巷围岩控制技术,并进行现场工业性试验。结果表明：工作面过空巷表现为顶板大面积下沉、两帮垂直劈裂脱落,采动应力、浅埋薄基岩切落、支护作用失效与棚架非均匀受力是空巷失稳的主要原因;工作面过空巷顶板稳定性与空巷支护阻力、煤柱承载载荷及支架载荷密切相关,煤柱承载能力与煤柱宽度呈线性关系,确定空巷顶板最小支护强度为3.346 9 MPa。随着膏浆体(15%水泥)水灰比增加,膏浆体流动度、析水率、初终凝时间呈增加的趋势;单轴抗压强度与峰值应变整体表现为减小的趋势,且线性特征明显。水灰比0.6(10 d)为最佳膏浆体,单轴抗压强度为1.10 MPa,峰值应变为1.088%。随着时间增加,膏浆体强度在30 d达到3.7 MPa,提前充填有利于空巷稳定。采用空巷挑顶扩巷-锚索补强与膏浆体柔性充填技术方案后,...     

深部带状充填开采复合承载体变形特征研究

深部条带固体充填开采可以有效控制地表移动和变形,是解决高潜水位平原矿区建筑物下压煤开采的有效途径。宽条带状充填体和煤柱形成的复合承载体直接支撑控制上覆岩层变形,其变形特征和稳定性是控制地表变形的关键因素;同时,由于深部开采条件下采动应力水平的急剧增加,复合承载体中煤柱的破坏失稳可能诱发顶板突发性移动造成的矿压安全事故。为此,本文结合平顶山十二矿深部密实矸石充填开采地质采矿条件,采用离散-连续耦合数值模拟方法对深部带状充填开采复合承载体的应力承载和破坏特征进行了试验研究,在此基础上采用极限平衡法建立了复合承载体中煤柱破坏的力学模型,得到了煤柱破坏与复合承载体中充填体承压均值和煤柱承压极值相对覆岩自重应力的应力集中系数k0,k1的关系;采用数值模拟方法分析了充填体孔隙率和充填面宽度对应力集中系数k0,k1的影响,对实际工程煤柱留设和充填参数设计提供理论和设计依据。     

基于条带置换开采方法的煤柱留设与充填技术研究

为了提高资源采出率,缓解煤柱常见的高应力集中现象,降低冲击地压灾害发生概率,并实现矸石不上井直接处理和地面矸石的零排放,以阳城煤矿-650 m水平大巷保护煤柱条带置换开采方法煤柱留设与充填为背景,运用理论分析方法分别对回风巷右侧保护煤柱、1307巷道保护煤柱、充填巷两帮煤柱宽度进行计算;采用FLAC^3D数值软件对不同类型煤柱宽度的多种设计方案进行应力及变形情况模拟,并以4号充填巷为例,对充填后的应力分布、塑性区范围、位移等进行数值模拟与分析。结果表明:回风巷保护煤柱和1307巷道的保护煤柱均为15 m;按照矸石充填巷4.5 m计算,储矸空间两侧煤柱的宽度至少14.8~15.8 m时才能保证有一个稳定的柱核区的存在;与4号巷开挖未充填时相比,充填后的水平应力与垂直应力影响范围减少5 m,峰值应力影响范围减少3~4 m。     

许厂煤矿矸石置换充填开采模式研究

 针对许厂煤矿面临的村庄建筑物下压煤、矿井上下矸石大量堆积等问题,提出了在煤柱中掘进巷道并利用矸石回填以置换开采出部分条带煤柱的新技术。在条带开采后所留设得大煤柱中集中布置2条宽4.0m、高5.0m得矸石充填巷,巷间煤柱宽4.0m,利用井下产生的矸石对该巷道进行回填。通过对充填巷道围岩变形监测,测得两帮移近量最大为20mm,顶底板移近量最大为17mm;配合地表运动监测分析得出,地表下沉效果不明显,可保证地表建筑物的变形在I级变形之内。     

深井矸石充填工作面沿空留巷围岩控制原理与技术

深井工作面矿压显现剧烈使得沿空留巷存在诸多困难。采用矸石充填采空区可有效限制深部采场覆岩大范围的破断、运动,缓解深井工作面剧烈的矿压显现,为深井工作面沿空留巷奠定基础。通过现场实测和理论计算探讨了深井矸石充填工作面覆岩运动特征,探讨了沿空留巷围岩承载结构及其稳定性。根据新巨龙煤矿2305S-2号工作面实际情况,设计了以矸石墙+钢管混凝土立柱为主的巷旁支护结构,并提出了留巷顶板超前支护、强力护表、深部锚固,巷旁支护结构合理宽度、侧向约束、协同承载,实体煤帮卸应力、防冲击、控片帮的控制方式,留巷底板高应力深部转移的沿空留巷围岩控制原理和先固顶→再护帮→后控底的沿空留巷围岩控制原则。形成了锚杆+W钢带超前支护和长锚索+注浆锚索永久支护的沿空留巷围岩控制技术,成功实现了新巨龙煤矿2305S-2号深井矸石充填工作面沿空留巷。沿空巷道围岩实测发现留巷矸石墙变形不均匀,承载能力增长缓慢,钢管混凝土立柱钻底,顶板锚索易破断等问题。需要进一步加强留巷矸石墙的侧向约束,提高矸石墙承载能力。钢管混凝土立柱底部安装大垫板,控制立柱钻底量,沿空留巷顶板锚索要求具备一定的延伸率,实现长锚索与顶板围岩的协同变形与承...     

条带残留煤柱膏体充填综采技术研究与应用

为了彻底解放建筑物下条带开采遗留煤柱资源,采用理论分析与现场实践结合的研究方法,对条带遗留煤柱膏体充填复采煤柱稳定性、覆岩结构变化特征和膏体充填技术参数进行了探讨,得出了合理膏体充填体强度、充填率、煤柱宽度等参数指标。研究表明:条带开采遗留煤柱膏体充填复采时合理的煤柱宽度为5.0 m;充填率不得低于70%;安全系数取k=1.5~2.0,当开采煤柱宽度小于50 m时,充填体28 d抗压强度不小于5.0 MPa;当开采煤柱宽度小于100 m,充填体28 d抗压强度不小于2.6 MPa。以济北矿区岱庄煤矿生产技术条件,提出了条带遗留煤柱膏体充填开采回收技术,并确定了合理的工艺参数。实测表明,膏体充填开采达到充分采动后,地表最大下沉值为220 mm,下沉系数为0.076,取得了良好的地表沉陷控制效果。     

“充填体-煤柱”复合承载体稳定性分析

为研究部分充填开采中"充填体-煤柱"复合承载结构稳定性以沙曲矿4901工作面为工程背景,通过实验室试验探究了复合承载体承载的应力变化及破坏特征,采用数值模拟的方法,将复合承载体分为4类,分析了在不同类型、宽度、高度及不同强度充填体与煤柱下承载体的稳定性。结果表明:随着承载体宽度增加,弹性区宽度明显增大,承载体宽度为30 m比宽度20 m时的弹性区宽度平均增加6.02%左右,宽度为40 m比宽度30 m时的弹性区宽度平均增加约34.35%;4类复合承载体中第Ⅳ类承载体与其他3类相比塑性区宽度相对较小,且随留充比增大始终保持在小范围内波动,稳定性效果最好;随着承载体高度增加,稳定性减弱,但充填体和煤柱强度增大,承载体稳定性增强。     

浅埋煤层条带充填开采覆岩破坏规律研究

为了开采建构筑物下的煤炭资源,延长矿井服务年限,以榆林地区二墩煤矿为研究背景,研究膏体充填体与上覆岩层的关系,通过理论计算得出岩梁上的载荷值为q=0.087 MPa,直接顶的极限跨距L=8.74 m,条带煤柱宽度b=15.6 m。运用FLAC^3D软件进行模拟分析,在采宽为8 m、充填体强度为6 MPa时,得出煤柱的应力最大达到7.5 MPa,充填体平均应力达到5.0 MPa。