固体充填采煤充实率控制导水裂隙带高度发育研究

为了研究固体充填采煤充实率对控制导水裂隙带高度发育的影响,分析了固体充填采煤覆岩移动变形特征,借助等价采高理论套用经验公式对固体充填采煤不同充实率导水裂隙带高度进行预计。运用数值模拟软件,通过对不同充实率导水裂隙带高度的模拟,建立了固体充填采煤导水裂隙带高度新的预计方法,其结果与套用经验公式预计的结果相吻合。工业性实验表明:固体充填采煤可以有效控制覆岩移动变形,顶板岩层整体保持其完整性,在煤层采高为3.5 m,采空区充实率为85%时,导水裂隙带高度在10 m左右的范围内,实测与预计结果基本一致。     

固体充填采煤充实率控制导水裂隙带高度发育研究

为了研究固体充填采煤充实率对控制导水裂隙带高度发育的影响,分析了固体充填采煤覆岩移动变形特征,借助等价采高理论套用经验公式对固体充填采煤不同充实率导水裂隙带高度进行预计。运用数值模拟软件,通过对不同充实率导水裂隙带高度的模拟,建立了固体充填采煤导水裂隙带高度新的预计方法,其结果与套用经验公式预计的结果相吻合。工业性实验表明:固体充填采煤可以有效控制覆岩移动变形,顶板岩层整体保持其完整性,在煤层采高为3.5 m,采空区充实率为85%时,导水裂隙带高度在10 m左右的范围内,实测与预计结果基本一致。     

固体充填采煤充实率设计与控制理论研究

根据固体充填采煤密实充填体的不同充实率决定不同岩层移动控制效果及“等价采高”预计地表沉陷的原理,提出固体充填充实率设计的理论依据,定性分析影响充实率的主控因素,并分别基于等价采高、关键充填设备、工作面推进方向、固体充填材料力学特性、地质条件以及充填工艺实施等7个主控因素对充实率的不同影响机理进行理论分析,明确充实率设计的基本原理,建立不同覆岩条件及压煤类型条件下固体充填采煤充实率设计流程与方法,并提出充实率控制的基本原理及6项控制措施;结合济三矿固体充填采煤工程案例,对充实率的设计及控制理论进行了应用,充实率控制指标理论设计为88%,现场实测为90.3%。理论分析与实践表明,充填设备与地质条件对充实率的影响程度最显著,充实率的精确设计与良好控制是保证充填采煤技术成功实现岩层移动及地表沉陷控制的关键。     

不同充实率下固体充填开采覆岩移动与地表下沉分析研究

在固体充填开采技术中,充实率对覆岩移动与地表下沉具有重要影响。文章以河南平顶山十二矿CT101工作面为例,采用FLAC软件建立固体充填开采数值计算模型,研究不同的充实率条件下覆岩移动与地表下沉的规律,研究表明:随着充实率的增大,覆岩关键层和地表最大下沉量呈现逐步降低趋势;当充实率小于75%时,下沉曲线在工作面边界附近位置处变化幅度最为显著,在下沉曲线中部位置处出现平底形状;当充实率大于75%时,下沉曲线整体呈现连续平缓的对称下沉形态。CT101工作面的现场实测表明,当充实率达到85%时,地表最大下沉量约为180mm,与下沉预计值200mm较为接近,预测结果偏于安全,可以为工程实践提供相关参考。     

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。     

近距离煤层充填上行开采临界充实率设计

对比分析传统垮落上行开采和充填上行开采覆岩移动机理,发现传统垮落上行开采一定层间距的煤层群将导致上位煤岩层结构破坏而无法正常回采,但一定充实率保障条件的充填上行开采可降低上位煤层的破坏程度。采用叠合梁极限破断理论与塑性区发育高度分析合理的充实率,提出充填上行开采可行性条件,得到充填上行开采的临界充实率。结果表明:对于木瓜矿地质条件,上位煤层(9~#煤)不发生破断时,下位煤层(10~#煤)充填开采的临界充实率为82.1%;下位煤层(10~#煤)开采时塑性区发育高度达到上位煤层(9~#煤)时,下位煤层(10~#煤)充填开采的临界充实率为70.4%,即木瓜矿实施充填上行开采9#煤层的临界充实率为82.1%。     

基于充实率控制的导水裂隙带发育高度研究

为了研究固体充填采煤充实率对导水裂隙带高度的控制作用,分析了固体充填采煤覆岩移动变形特征,借助等价采高理论套用经验公式对固体充填采煤不同充实率条件下导水裂隙带高度进行预计。运用数值模拟软件UDEC对不同充实率条件下导水裂隙带高度进行模拟,建立了固体充填采煤导水裂隙带高度预计的新方法,其结果与经验公式预计的结果相吻合。工业性试验表明:当煤层采高为3.5m、采空区充实率为85%时,导水裂隙带发育高度在10m左右,实测与预计结果基本一致。     

固体密实充填采煤覆岩移动弹性地基薄板模型

固体充填采煤覆岩移动规律与传统垮落法开采相比发生了本质的变化,为准确地计算固体充填入采空区后上覆岩层的移动规律,在分析固体密实充填采煤覆岩移动特征的基础上,采用弹性地基薄板理论,建立了固体密实充填采煤充填体-基本顶力学模型,推导出了采场基本顶挠度、应力方程以及基本顶发生破断的临界条件,分析得出弹性地基系数是影响顶板移动变形的关键因素,并结合相关参数给出了基本顶最大下沉量和最大应力值随弹性地基系数的变化规律。平煤十二矿己15-13080充填采煤工作面工程实践结果表明:实测基本顶最大下沉值为347 mm,与理论计算结果相符。     

关键层位置经验公式对固体充填采煤充实率的影响

根据关键层到煤层距离大于7~10倍采高时的导水裂隙带发育仅位于关键层下的学说,采用数值模拟等方法对固体充填采煤充实率的问题进行了进一步的探讨。结果表明:当结合等价采高原理时,根据关键层的位置可以得到一个临界充实率,在达到此充实率的前提下,导水裂隙带将不会发育至关键层,关键层将保持结构的稳定性。在特定的条件下,充填采煤将允许有一定的欠接顶量,这将大大简化充填采煤的充填工艺,克服充填采煤采充工艺的不连续性,从而显著提高工作面的年产量。     

煤矿高浓度胶结充填开采覆岩变形规律

为了研究煤矿高浓度胶结充填开采覆岩变形规律,以新阳矿十采区10203充填开采工作面为背景,应用理论分析、数值模拟和相似模拟的方法对充填开采工作面上覆岩层的变形特征进行了研究。结果表明:充填开采主关键层不发生破断,只有微小的变形;覆岩变形以垂直方向的整体弯曲下沉运动为主,上覆岩层不发生断裂和垮落,无明显的垮落带;与垂直方向相比,水平方向的移动变形量很小,基本可以忽略。根据上述结论,将充填开采地表移动变形的研究重点放在垂直方向的岩层移动和地表沉陷方面是合理的。     

长壁机械化掘巷充填采煤围岩结构稳定性及运移规律

为解决西部生态脆弱矿区煤炭开采率低、采后环境易破坏等难题,提出了一种长壁机械化掘巷充填采煤方法。在系统阐述该技术方法的巷道布置与充填采煤工艺的基础上,分析了该技术的难点与关键。基于长壁掘巷充填采煤岩层移动特征,建立了长壁掘巷充填开采采场力学模型,推导出了采场顶板下沉方程与煤柱承受载荷计算公式,并结合极限强度理论,提出了煤柱失稳判据。以陕西榆林常兴煤矿3101工作面掘巷充填采煤为工程案例,通过充填体材料力学特性测试,优化设计了掘巷充填采煤开采方案。采用3DEC数值模拟软件对掘巷充填采煤上覆延安组层间裂隙承压水隔水层与第四系松散层孔隙潜水隔水层移动特征及稳定性进行了分析,现场应用案例表明,该技术可有效控制工作面围岩结构稳定性与上覆隔水层岩层移动,提高煤炭资源回收率,可为西部生态脆弱矿区煤炭资源开采与环境保护协调发展提供借鉴。     

煤矿充填开采连续曲形梁形成与岩层控制理论

在充填开采大量工程实践和物理相似试验基础上,提出了充填开采上覆岩层连续曲形梁理论模型,当密实充填率达到一定条件时,顶板不会产生断裂,仅发生弯曲变形,形成连续的曲形梁,能有效地控制关键层的沉降变形。阐述了连续曲形梁的几何特征和力学特征,指出了顶板形成连续曲形梁的条件。通过建立力学模型,计算得出了连续曲形梁变形的理论解和便于工程应用的工程解,进一步分析得到连续曲形梁与关键层的量化关系,为密实充填率的设计提供了理论依据。此外,对连续曲形梁的三维模型及其理论解和数值解做了一些有益的分析和探索,揭示了充填开采对岩层变形的控制机理。     

大采高采场覆岩结构特征及运动规律研究

运用关键层理论研究了采场覆岩结构特征及运动规律．结果表明：垮落带及断裂带高度与覆岩关键层的分布特征密切相关，大采高的垮落带及断裂带高度大于相同煤厚分层开采相应的高度，且随采高增大呈台阶状上升，此研究是大采高条件下采场矿压控制、地表塌陷评价的基础。     

结构充填“保水-储水”采煤顶板稳定性分析

在结构充填开采基本思想的指导下,根据我国西北干旱半干旱地区保水采煤与矿区水资源安全高效存储的实际需求,充分发挥条带式结构充填保护含水层结构与煤矿地下空间再利用的优势,提出条带式结构充填"保水-储水"采煤构想。在分析了条带式结构充填覆岩结构特征基础上,采用弹性地基上的有限长梁模型对"充填条带-直接顶"整体结构进行了力学分析,并结合初始参数法分段解析了直接顶变形方程。同时根据"保水-储水"的功能要求,提出了条带式结构充填"保水-储水"采煤的直接顶控制原则。根据新阳矿区工程地质条件和充填材料性能,通过理论计算得到条带式结构充填的临界充填率为51%,最大充填间距为11.95 m。通过FLAC~(3D)数值模拟对新阳矿区条带式结构充填"保水-储水"方案进行了优化设计,结果表明:在保持充填率基本不变的情况下,随着充填间距的减小,直接顶自承载能力逐渐增强,可形成"充填条带-直接顶"结构控制体系,对上覆岩层的控制作用明显提升;充填间距的减小缓解了充填体和直接顶内的应力集中现象,显著减小了充填条带和直接顶内的塑性区范围,有利于充填条带和直接顶的长期稳定,进而实现条带式结构充填"保水-储水"的目的;综合分析得到了新阳矿区条带式结构充填"保水-储水"采煤的最佳充填方案为间隔2 m充填2 m。     

巨厚岩浆岩下充填开采的动力灾害控制

工作面上覆硬厚岩浆岩大范围运移可能诱发冲击地压、煤与瓦斯突出等动力灾害,且易导致地表突然下沉。以某煤矿首采工作面为背景,对巨厚岩浆岩下垮落法与充填法开采进行了离散元数值模拟,分析了充填开采对岩浆岩运移与采动应力的控制效果。研究表明：垮落法开采时,岩浆岩初次运动前支承压力迅速增加,最大峰值达到45.97 MPa,易引起冲击地压等动力灾害;初次运动后上部岩层发生同步运移,下沉速度显著增大,最大下沉量达1.21 m。充填法开采时,支承压力变化不大,最大峰值为25.88 MPa;与垮落法相同推进步距时,岩浆岩上覆岩层下沉量仅为0.044 4 m。充填法开采有效降低了围岩应力和地表下沉,降低了动力灾害的危险程度。     

长壁胶结充填覆岩移动变化规律初探

针对长壁工作面胶结充填开采后覆岩移动及矿压显现规律的理论研究亟待提高的现状,首先在实验室内对胶结充填体的力学性能进行了测试,测定了本次实验中充填体弹性地基系数的取值范围为0.015~0.167 GN/m³;在综合分析岩层移动变形和充填体受力特征的基础上,应用弹性地基梁理论,建立了充填开采顶板岩梁移动变形的数学力学模型,求得了该模型的解析解;并通过数值求解的方法,详细分析了充填区覆岩移动变形的各影响因素和充填区支承压力分布变化规律。结果表明：在长壁胶结充填采矿中,应根据不同的采矿地质条件,制备具有一定强度和刚度的胶结充填体;合理的充填体地基系数对于覆岩下沉及其变形的控制起了决定性作用;该研究可对长壁胶结充填实践的工程应用提供理论指导。     

含水层下固体充填保水开采方法与应用

为解决含水层下煤层开采所导致的溃水灾害问题,提出了基于固体充填采煤的保水开采方法,阐述了该方法的基本原理,分析了固体充填开采覆岩导水裂隙演化特征,并基于固体充填开采导水裂隙带高度预计公式,结合《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》,建立了含水层下固体充填开采临界充实率计算模型,分区设计了受含水层影响煤层的充实率,进而对煤层进行了充填工作面设计布置。五沟煤矿CT101充填工作面应用结果表明:实测充采质量比平均值为1.32,大于理论设计值1.28,充填效果较好,且导水裂隙带高度仅为10.0 m左右,该方法有效地降低了覆岩导水裂隙带高度,可实现含水层下保水开采的目标。     

周源山煤矿24采区上覆岩层关键层研究

结合周源山煤矿24采区上覆岩层实际情况,根据关键层强度和刚度理论判断了该煤矿关键层的位置及初次破断距,并且利用RFPA软件进行数值模拟分析,验证了理论计算的正确性,为煤矿开采提供开采参考依据。计算结果与该矿24采区已开采的工作面矿压显现及顶板下沉的实测结果大致相符。     

巨厚煤层开采覆岩含水层破坏模拟——以准东大井矿区为例

本文针对准东矿区巨厚煤层典型赋存特征,以大井矿区为研究对象,通过识别覆岩关键层及含水层,采用UDEC数值模拟方法,建立大井矿区巨厚煤层开采覆岩力学模型,对不同开采方法覆岩含水层破坏进行了模拟研究。结果表明:研究区覆岩关键层分为4层、覆岩含水层共2层;开采厚度相同时,大采高开采覆岩下沉量、裂隙带发育高度及开采对含水层的扰动影响均大于放顶煤开采;采高24m,推进长度为300m时,导水裂隙已发育至含水层Ⅱ;主关键层对覆岩位移、裂隙分布及开采对含水层的扰动影响起关键作用。