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。     

超高水充填材料侧限压缩应力应变本构关系研究

开展超高水充填材料应力应变关系研究对准确了解充填体与围岩相互作用关系,选取合理的采煤工作面采空区充填体强度和材料配比具有重要意义。根据不同经典理论模型的本构关系特征,结合常用的3种水灰比超高水充填材料在侧限压缩条件下的应力应变曲线,获得了材料变形过程信息。基于Poyting-Thomson模型,引入损伤变量,构建出可描述超高水充填材料应力应变关系的M|D|H理论模型,并给出了理论模型的解析解,对试验全过程曲线进行辨识,确定了模型中的相关参数,实现了对超高水充填材料变形过程的理论描述。结果表明:改进的Poyting-Thomson模型(M|D|H模型)理论值与试验结果吻合较好,能够有效描述侧限压缩条件下超高水充填材料从弹性变形到应变软化再到应变硬化的整体变形特征。     

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。     

超高水材料充填胶结体工程特性试验研究

根据采空区内覆岩垮落与充填浆体的空间位置,将超高水材料采空区充填胶结体分为4种基本形态,即纯超高水材料胶结体(Ⅰ类)、下半部是超高水材料和矸石混合材料与上半部是纯超高水材料胶结体(Ⅱ类)、下半部是纯超高水材料与上半部是超高水材料和矸石混合材料(Ⅲ类)、超高水材料和矸石整体混合材料(Ⅳ类),在实验室进行了抗压、抗拉、抗剪等力学参数测试,并通过建立超高水材料充填开采"充填体-基本顶"力学模型,分析了材料属性变化对基本顶垮落步距的影响。研究结果表明,4种不同类型的超高水材料充填胶结体试件在加压过程中,应力-应变变化趋势基本相同;第Ⅳ类材料试件的抗压强度相对最高,比第Ⅰ类充填胶结体提高约20%;第Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ类胶结体试件的抗拉和抗剪强度较第Ⅰ类也有明显提高,最大可提高40%和50%。充填胶结体属性变化对基本顶极限垮落步距影响的分析结果表明,超高水材料与矸石混合形成的第Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ类胶结体增加了充填胶结体的强度,有利于基本顶的稳定。     

薄煤层充填开采超高水材料配比及充填工艺优化

为解决超高水材料在现场施工过程中易出现浆液泌水、甚至不凝固影响充填体强度等问题,进行优化材料配比试验,并在此基础上进行泌水率测试和不同搅拌工艺试验,以提高现场充填效果。试验结果表明:B料中石膏∶石灰比例为4∶1时,超高水材料的抗压强度最大;搅拌工艺对材料泌水率存在较大影响,合理的增加混合浆液搅拌时间能有效减少泌水率,进而减少添加剂掺量、减少成本。将改善后的材料配比及充填工艺应用于田庄煤矿薄煤层充填开采工作面,通过现场取样测试充填体强度和监测得到的实时顶底板移近量数据,充填体强度高于实验室强度,顶底板移近量仅为96 mm,取得了良好的充填效果。     

俯采超高水材料充填体稳定性控制研究

由于受到工作面的倾斜作用,在俯采阶段采用超高水材料袋式充填时,充填体易向煤壁方向塌落。为了克服这一难题,以山西大庄煤矿813充填工作面为研究对象,通过简要力学模型分析充填体失稳原因,提出了稳定性控制方法：调整超高水材料的配比及加强对充填体的支护。俯采超高水材料充填在大庄煤矿首次应用并取得成功,其实践说明：超高水材料是性能良好的充填材料,可以克服俯采条件下的充填体易失稳等难题。     

建筑物下超高水材料充填体稳定性研究

针对建筑物下3603超高水材料充填开采工作面,经在采空区内布置顶板变形仪和压力传感器,对充填体进行监测研究,得出超高水充填体在工作面中部压缩变形量和应力比端部高;充填体压缩变形量及应力随工作面的向前推进而增加,且在初期总体上均呈线性关系,达一定距离后,逐渐趋于稳定;超高水充填体能有效控制顶板下沉,减缓上覆岩层向下移动,能对地表变形起到很好的控制作用。     

煤矿超高水材料充填开采技术及其展望

基于超高水充填材料的性质,进行了超高水材料充填开采技术研究。该技术包含开放式、全包式、混合式等采空区充填方法,其充填工艺系统由材料储运、浆液制备、浆液输送和混合等4部分组成,并在多个矿井进行了应用。结果表明：超高水材料具有含水量高（水体积分数95%～97%）、凝固速度快（初凝8～90min）、早期强度高、固结体不可压缩、承载性能好、材料强度和凝固时间可调控等优良性能,是一种良好的采空区充填材料。该充填工艺系统初期投资低、操作简单、自动化程度高、管路磨损小。充填开采后,采空区充填率均在85%以上,采场矿压显现程度明显降低,地表建筑物破坏等级控制在国家规定的C级破坏范围内。     

窄条带穿采区残留煤柱充填复采工艺研究

为了使长壁工作面安全通过窄条带穿采形成的大跨度、大采高空区,实现残留煤柱复采,研究和实施了快速密闭、多点即时充填的超高水材料充填复采工艺。基于充填体与围岩相互作用的机理,确定了超高水材料充填体的强度要求和材料配比。工程实践表明,超高水材料充填窄条带穿采区复采工艺经济技术效益显著。     

深部开采充填体与煤柱协同承载效应研究

深井充填工作面矿压显现强度与地表沉陷变形控制效果受充填体强度、充填率、煤柱宽度及充填体与煤柱承载匹配等因素影响,合理的充填体与煤柱协同承载是实现深部煤炭资源绿色开采的关键。为揭示深井充填工作面充填体-煤柱协同承载效应,结合义能煤矿地质生产条件,构建充填体-煤柱承载结构力学模型,探究充填体与围岩相互作用特征、充填体与煤柱协同承载作用过程。采用PFC软件模拟计算"充填体-煤柱"在不同充填率、充填强度条件下的承载特点,揭示超高水充填工作面充填体-煤柱应力分布及覆岩裂隙发育规律。研究结果表明:当超高水充填料充填率超过90%、水灰比低于95%时,煤柱应力集中程度较低,能够保持较好稳定性,顶板破断仅发展至基本顶,充填体-煤柱协同承载有效降低了工作面矿压显现强度与覆岩运移范围,为实现深部煤层绿色开采提供了科学依据。     

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。     

工业固废在超高水材料中综合利用的实验研究

针对超高水材料时常出现压缩泌水,影响使用效果等问题,研究了粉煤灰、粒化高炉矿渣粉、选铁尾矿砂等工业固废的性能,结合超高水材料的特点,开展大量实验,通过在超高水充填材料中掺入适量工业固废,改善超高水材料性能,实现工业固废综合利用的目的。     

充填区透水环境对超高水材料充填体的影响研究

为研究井下充填区域围岩透水环境对超高水材料充填体性能的影响,利用超高水材料(水灰比6∶1)制备的试样和能模拟不同围岩环境的超高水材料蠕变试验装置进行试验,试验采用分级加载的方式对超高水材料施加载荷,设计完全不透水和透水2种不同的围岩环境,研究不同载荷及透水环境下对超高水材料充填体性能的影响。结果表明:超高水材料固结体在受压后会析出一定量的自由水,在分级加载条件下超高水材料固结体变形量随围岩透水率的提高而不断增大;而在完全密闭条件下,析出的自由水会在密闭的缸体内形成一定的水压,水压反作用于固结体内部的自由水,导致自由水不能进一步析出,形成一种固液应力平衡状态,蠕变量极小,具有良好的不可压缩性。     

膏体充填开采条带煤柱充填体稳定性监测研究

为克服采用岩移观测的方式评价充填效果周期长、费用高、劳动量大等缺点,采用自主研发的采空区充填膏体在线监测系统对膏体充填体压缩量、受力情况和材料水化程度进行监测,利用其监测结果对充填效果进行评价.结果表明:膏体充填体最大压缩量为104.3 mm,压缩率约为3.85％,膏体骨料级配合理;膏体充填体最大应力为5.1 MPa,上覆岩层的弯曲变形较小;膏体充填体的水化温度最高达到54℃,水化反应第2d最为强烈,膏体充填体早期强度上升较快,并在提高充填工作面效益同时,膏体充填体也能较好地控制上覆岩层运动.     

超高水材料开放式充填开采围岩成拱特性研究

超高水材料开放式充填开采在临沂矿业集团田庄煤矿11611工作面试用成功,充填开采后,采场矿压显现程度明显降低,地表建筑物破坏等级均控制在国家规定的允许范围内。以田庄煤矿超高水材料充填开采为背景,利用有限元ANSYS软件和相似材料模拟对超高水材料充填开采后采场围岩的成拱特性进行了研究。结果表明,超高水材料充填开采后,充填体能够将围岩中的裂隙充填密实,从而使充填体、垮矸、围岩三者形成一个新的平衡体系,围岩的成拱系数量级较小,围岩受扰动小,大部分围岩处于小变形状态,上覆岩层的弯曲变形量不足以超过其极限挠度值而发生断裂现象,因而能够有效控制岩层的运动。     

超高水材料在煤矿的系列应用技术

基于超高水材料速凝早强、强度可调、再胶结等基本特性,针对煤炭开采过程中遇到的实际问题,制定了超高水材料制浆输送工艺流程,发明了超高水材料充填液压支架,并将超高水材料应用于充填采煤、沿空留巷、采空区地面注浆加固、采空区防灭火技术、"两步法"注浆改造奥灰含水层等领域。结果表明:在对采空区实施充填开采后,采空区上覆岩层活动较为平稳,没有出现明显的周期来压现象,其充填效果较好;将超高水材料用于采空区灭火,不仅起到隔绝空气的作用,同时也阻止了有害气体的挥发,降低了空气中有毒有害物质浓度,减少了材料用量,降低了充填成本。超高水材料作为一种新型矿山充填材料在煤矿多个领域中的应用技术已基本成熟。     

超高水材料袋式充填开采研究

为了解放建筑物下压煤问题,采用新型的超高水材料作为采空区充填物,水体积和水灰比分别可达97%和11∶1.结合超高水材料的基本性能,提出进行采空区袋式充填开采.该技术将超高水材料混合浆液充入预先在采空区架设好的充填袋内,凝固后的充填体控制上覆岩层活动,以达到有效减缓地面沉降的目的.该技术在陶一煤矿充填试验面的成功运用说明:在井下潮湿、低温、封闭的环境中,超高水材料是一种性能良好的采空区充填材料;超高水材料袋式充填开采技术是解放建筑物下压煤的一种先进的煤矿绿色开采方法,具有充填工艺简单,初期投资低,机械化程度高,实际应用与操作方便,对煤矿地质条件及采煤工艺适应性强等显著优点.     

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...     

尾砂胶结充填体孔隙水特征探索试验研究

尾砂胶结充填体的强度是影响充填体稳定性的重要参数之一.当充填料浆进入采场后,尾砂胶结充填物料内的孔隙水含量与孔隙水特征将影响胶凝材料水化离子以及外部硫离子的运移,从而影响充填体强度.为探索并揭示充填配比对孔隙水特征的影响规律,本文测试了不同浓度充填物料孔隙水体积占比与对应充填体孔隙率,并对比分析了两者之间存在的关系.研...     

超高水充填新技术的应用发展浅析

超高水材料凝固速度快、早期强度高、承载和变形性能好、施工工艺简单、工人劳动强度低,是一种非常好的新型充填材料,对其进行研究对煤矿的安全、高效及绿色开采意义重大,其研究和应用已取得一定的成果。随着超高水充填开采应用范围的不断扩大及开采技术条件的变化,单一纯浆充填的局限性会越来越大,应根据采空区具体的顶板条件和充填空间位置开展超高水充填体工程特性的试验研究。