充填体下顶底柱开采结构参数优化及工程应用

为了安全有效回收矿山充填体下顶底矿柱,提高资源利用率,本文结合顶底柱开采环境的特点,采用力学模型和数值模拟计算相结合,对留设残矿层的厚度、进路高度、进路宽度等不同参数下顶底开采顶板稳定性进行计算,分析开挖进路的安全系数、应力变化、塑性变形、沉降变形随着残矿层厚度、进路宽度、进路高度的改变而产生的变化规律。计算结果表明,留设残矿层时能有效吸收开挖进路上部荷载对其的作用能量,同时能均匀地将能量向下传递,使残矿层下方的充填体变形能分布变得均匀,塑性变形小;残矿层在吸收大量变形能之后,容易发生塑性变形,当残矿层厚度较小时会出现拱形贯通塑性变形区,造成采场顶板冒落;在留设残矿层时,开采进路宽度的大小对顶板主应力数值大小影响较大,且影响最大主应力超过矿体抗拉强度的范围。并将计算结果应用于工程实际,通过位移监测论证结果的合理性。综上分析,建议矿山充填体下顶底柱开采留设残矿层厚度为0.9m,开采进路宽度为2.5m,进路高度2.6m。     

高水材料巷旁支护沿空留巷试验研究

基于薄煤层顶板活动规律及高水材料试验,分析了高水材料作为充填体材料的合理性。利用数值模拟软件FLAC3D,分别模拟了充填体宽度为1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 m时的沿空留巷效果。通过比较不同充填体宽度下的顶板下沉量、周围围岩塑性区变化情况,确定充填体宽度应不小于2.0 m。     

大采深综采工作面充填留巷围岩稳定性关键技术研究

为解决大采深综采工作面无煤柱沿空留巷围岩稳定性问题,通过对充填体切断和支护顶板动力学过程进行理论分析,得出了充填体抗压强度22 MPa条件下,宽度不小于2.4 m;采用FLAC3D数值模拟,对不同厚度及不同强度充填体下巷道顶板下沉量和围岩塑性区变化规律进行了研究,得出了充填体厚度为2.5 m、强度为22 MPa时顶板下沉量达到工程需求,并提出了沿空留巷超前区、待充填区和滞后区分段支护技术,为类似地质条件矿井中该技术的应用提供借鉴。     

红岭铅锌矿采场结构参数数值模拟与优化

为优化红岭铅锌矿阶段空场采矿法采场结构参数,选取采场长度、间柱宽度和顶柱厚度3个因素,每个因素取3个水平,用正交试验原理设计了9个数值模拟方案。对每一个方案用Midas耦合Flac3D进行数值模拟分析,揭示了用不同采场结构参数开采过程中采场最大主应力、z方向最大位移、间柱和顶柱塑性区贯通状况等力学演化规律。研究结果表明,顶柱安全厚度随采场长度增加而增高,最大主应力位置发生在采场角点位置,最大位移位于采场顶板中央,若间柱发生破坏,上盘围岩最大位移会向间柱方向移动,相邻两矿房塑性区有贯通的趋势。综合分析9个方案的数值模拟结果,考虑安全性和经济性,采场长度50 m、间柱宽度10 m、顶柱厚度15 m为红岭铅锌矿最优采场结构参数。     

大尺寸采场充填体稳定性数值分析

运用数值模拟软件对某大型地下金属矿山回采设计方案进行模拟,从最大主应力、最小主应力、塑性区、垂直位移4个方面,分析了处于最大暴露面积下的充填体稳定性。结果表明:采用50 m高度回采时,充填体可能出现片帮;充填体与顶板相接位置形成了5 m左右的贯通塑性变形层,充填矿柱丧失了支撑能力,该回采方案存在较大安全隐患,需进行调整。     

某矿充填体合理强度研究

针对高大采场高度高和暴露面积大的特点,在保证采场安全的基础上,为降低充填成本,采用理论计算、工程类比和数值模拟相结合的方法确定充填体合理强度。为减少爆破对充填体的破坏,采用Mathews稳定图法确定采场充填体侧帮暴露面积,并根据成功工程实例推荐护壁厚度。研究结果表明,当矿房高度为36 m时,充填体28 d强度从上到下分别为1.85 MPa、1.5 MPa和1.85 MPa;当矿房高度为60 m时,充填体的强度分别为2.45 MPa、1.8 MPa、2.0 MPa、2.2 MPa和2.45 MPa;当矿房高度为72 m时,充填体的强度分别为2.8 MPa、2.0 MPa、2.2 MPa、2.4 MPa和2.8 MPa;二步骤采场充填体强度为0.6 MPa;当炮孔孔径为165 mm时,护壁厚度为2.2～2.5 m;当炮孔孔径为120 mm时,护壁厚度为1.5～1.8 m。     

沿空留巷顶板下沉量计算及分析

基于支架-围岩整体力学模型,利用位移变分原理研究了沿空留巷时基本顶在给定变形下直接顶的受力、变形情况,探讨了顶板下沉量与巷内、巷旁支护阻力、直接顶厚度、巷道宽度及充填体宽度之间的相互关系.结果表明:巷内支护阻力对顶板下沉量几乎没有影响;顶板下沉量随巷旁支护阻力的增大而减小;直接顶厚度在2.5 m以内时,顶板下沉量变化不大;而直接顶厚度大于2.5 m时,顶板下沉量随直接顶厚度的增加而显著减少;巷道顶板下沉量随巷道宽度的增加而加大;巷道顶板下沉量随充填体宽度的增大而增大.     

顶底柱残矿回收的充填体假顶厚度确定与应用

顶底柱残矿回收的关键技术是顶板在回采过程中的稳定性问题。针对某铅锌矿采用的高强度加筋充填体假顶,分别对矿房采场和间柱采场下假顶的受力情况进行分析,并采用薄板理论分析确定充填体假顶厚度;利用FLAC~(3D)数值模拟软件模拟不同假顶厚度下底柱矿体的开采过程,研究充填体假顶厚度的变化对充填体假顶稳定性的影响;最终得出充填体假顶的最优厚度。研究结果表明:矿房采场下充填体假顶最优厚度为2.5 m;间柱采场下充填体假顶最优厚度为7.5 m。模拟结果与理论值相吻合。上述研究结果与类似矿山实际应用相比较,具有科学合理性;并在典型条件的顶底柱采场充填体假顶厚度确定中得到成功应用,具有指导意义。     

复采工作面条带煤柱临界破坏尺寸研究

在平面应变状态下利用Mohr-Coulomb准则推导了采空区支承应力和采准巷道支承应力叠加时中央弹性核区的宽度,同时在计算中考虑了防水煤柱的宽度。在平面应变状态下利用Druker-Prager准则计算采准巷道塑性区的宽度,弥补了Mohr-Coulomb准则塑性区宽度未考虑中间主应力和静水压力两因素。计算结果表明,贺西矿三采区采准巷道侧的塑性区宽度3.1 m,中央弹性核区的宽度1.7 m,旧采空区的塑性区宽度按风化后计算为16 m,在现场试验取得了较好的效果。     

水砂—胶结充填隔离矿柱稳定性及宽度研究

某嗣后充填矿山前期水砂充填泌水效果不佳,充填体富水,随着水砂充填区域增大,开采过程中顶板及上盘稳定性变差,为改善开采安全状态,改用胶结充填,水砂充填区与胶结充填区之间的隔离矿柱是保证未来采矿安全的关键。构建了侧壁承压倾斜矿柱理论分析模型,并采用FLAC^3D数值模拟软件对10～15 m宽度水砂—胶结充填隔离矿柱和不同水砂充填体静水压力梯度进行了研究。研究表明:(1)开采扰动会使隔离矿柱内形成应力集中,且未凝固的水砂充填体会进一步增加矿柱内最大主应力;(2)矿柱内部应力重分布及水砂充填体水平压力使得矿柱水平变形增加,逐步产生破坏形成塑性区,10～13 m的隔离矿柱不足以保障充填体含水工况下的采场稳定性;(3)考虑到爆破扰动的影响,在现有富水充填情况下,建议隔离矿柱宽度为15 m;(4)隔离矿柱宽度15 m时,随着静水压力梯度增加,矿柱内部最大主应力和水平变形会有所增长,但塑性区未发生明显增加,15 m宽的隔离矿柱可以保障后续开采安全。     

三软厚煤层超前切顶沿空留巷充填墙稳定性与尺寸优化研究

以赵家寨煤矿三软厚煤层大跨度回采巷道沿空留巷为工程背景,结合扩巷后工程实际,提出超前切顶卸压巷内充填留巷方案。通过理论分析及数值模拟方法,对比分析了不切顶与切顶条件下回采巷道围岩应力特征,确定了切顶条件下充填墙的留设宽度为2.2m。现场监测结果表明,超前切顶卸压条件下,充填墙宽度为2.2m时,能够有效维护回采巷道的稳定。研究成果可为类似条件下三软厚煤层大跨度回采巷道沿空留巷提供一定参考。     

高瓦斯突出煤层原位充填沿空留巷技术研究

为解决高瓦斯煤层巷道掘进过程中易出现瓦斯突出、工作面回采瓦斯浓度频繁超限、工作面采掘接替紧张等难题,以高山煤矿1902工作面为工程背景,研究了高瓦斯突出煤层原位充填沿空留巷技术。通过理论分析选定预制混凝土砌块墙原位充填支护方式,理论计算出充填隔离墙体留设宽度为0.72~1.68 m;运用FLAC^3D数值模拟软件分析了0.8、1.2、1.6 m共3种不同墙体宽度条件下巷道围岩塑性区、巷道应力及位移分布规律,并在1902工作面进行现场试验与矿压监测。研究结果表明:随着充填隔离墙体留设宽度的增加,墙体切顶能力增强,巷道围岩应力、位移变形量减小,最终确定墙体合理留设宽度为1.2 m。现场监测留巷顶底板平均总移近量基本维持在250 mm±50 mm,两帮平均总移近量维持在200 mm±20 mm,从而检验了该技术的可行性,可为类似条件煤矿应用沿空留巷技术提供借鉴。     

沿空留巷巷旁充填体特性及施工工艺研究

针对西铭矿42206工作面皮带巷沿空留巷巷旁充填体特性及配套施工设备进行研究,通过力学分析巷旁充填体的作用机理,计算得到皮带巷充填体的切顶阻力为1342kN/m,确定了充填体长度为3.2m,高度为2.0m,宽度为1.6m,并确定了具体充填施工工艺及配套设备布置。     

单一巷道进路式回采上覆充填体力学行为及稳定性研究

在分析下向进路分层无分段充填法的基础上,对某矿采用单一巷道进路式回采建立了上覆充填体力学模型,为避免人工假顶出现“悬臂梁”状态,最终确定“嵌固梁”模型作为该充填采矿法上覆充填体力学模型。依据弹塑性力学知识计算出充填体承载层厚度为0.92 m,得到了充填体最大挠度值为23.4 cm。结合工程实际,采用FLAC3D数值模拟软件研究了不同采深下采场围岩与充填体塑性区及应力分布规律,研究结果表明：除首采层以外,其余分层上覆承载层均没有发生塑性破坏,且各分层充填体所受最大主应力均没有达到其抗压强度,所选承载层厚度及充填料浆配比所得参数能够保证充填体稳定性。研究成果可为破碎围岩薄矿体实现安全高效开采提供理论依据。     

短壁矸石胶结充填开采技术与应用

针对我国煤矿“三下”压煤量大、村庄搬迁困难，长壁充填开采投资大、地质条件适应性差、采充相互干扰等问题，通过理论分析、室内试验、数值模拟和现场实测等手段，提出了短壁矸石胶结充填技术，研究了材料配比、支巷参数、围岩应力场演化和地表变形规律，主要结论如下：① 充填浆料最佳配比为1∶1.5∶4，与矸石1∶2混合后充填支巷；② 基于极限强度理论确定支巷最佳宽度为5 m；③ 数值模拟表明：开采过程中煤壁超前支承压力峰值为13.1 MPa，开采奇数巷时充填体受力1.6 MPa，开采偶数巷时受力10.4 MPa，顶板塑性区5 m，底板破坏带深度5 m，呈现W-波浪形分布；④ 现场实测表明：支巷超前支撑压力为19.7 MPa，位于支巷前端4.6 m，顶底板最大移近量116.3 mm；顶板在0~5.7 m范围内产生少量断裂微裂隙，离层不明显，只发生弯曲下沉，不存在垮落带；⑤ 充填材料来源广、矸石不外运，实现了采充平行作业。该方法在内蒙古裕兴煤矿得到了广泛的应用，有效缓解了长壁充填开采带来的弊端，以较小吨煤成本，获得较大的经济和环境效益。     

基于尖点突变理论的大跨度巷道顶板稳定性分析

基于尖点突变理论并结合巷顶板组合梁力学模型,建立了大跨度巷道顶板系统的失稳判据。顶板失稳判据表明:巷顶板失稳的临界状态取决巷道宽度、巷顶板垂直应力及水平应力的组合。当顶板侧压大于5MPa时,随巷宽的增大,引起顶板失稳的顶压由大变小;当侧压小于5MPa时,不论巷宽如何,顶板在失稳时所能承受的顶压基本相同。对于跨度大于5m的巷道,随着侧压的增大,能引起顶板失稳的顶压先增大后减小。在顶压一定的情况下,大跨度巷道顶板在侧压较小或较大时都可能失稳。     

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。     

沿空掘巷非对称性差异化支护技术研究

针对2103工作面沿空掘巷巷道围岩变形量大,矿压显现明显,煤柱侧与实煤体侧巷道围岩呈非对称变形问题,采用数值模拟分析确定工作面留设煤柱的合理宽度为5 m,同时利用钻孔成像技术对巷道围岩裂隙变化情况进行分析,得出实煤体侧和煤柱侧巷道围岩松动圈范围分别为1.8～2.2 m、1.5～2.4 m,据此提出非对称性差异化支护方案。支护方案优化后,通过对巷道围岩顶底板及帮部位移量变化情况和岩层裂隙发育情况进行监测,监测结果巷道在采用优化后支护方式后,80%锚杆受力在20～60 kN;巷道两帮位移变化量在75～95 mm,巷道顶底板移近量在43～95 mm,巷道围岩裂隙发育大部分集中在距围岩表面深度1.1 m以内。应用结果表明:该支护方案能够有效控制沿空掘巷巷道围岩变形,为类似条件下巷道支护提供了较大的参考价值。     

坚硬顶板下沿空留巷巷旁充填体合理宽度研究

对于使用沿空留巷技术而言,巷旁充填体宽度是其控制巷道围岩变形的关键参数之一,特别是在坚硬顶板条件下,巷旁支护体合理宽度的确定就成了巷旁支护系统发挥最大支护作用的关键因素。以山西铺龙湾煤业有限公司4102综放工作面为工程背景,综合运用理论分析与数字模拟,对支护体合理宽度进行了研究分析。结果表明,4102综放工作面沿空留巷巷旁支护体宽度应控制在1.84.15 m范围内,当支护体宽度为4 m时巷道变形量最小,支护效果最好,能够保证矿井实现安全高效生产。