沿空留巷巷旁充填体对拉锚杆加固机理研究

针对高水材料巷旁充填沿空留巷充填体大变形的问题,通过建立沿空留巷巷旁充填体加固力学模型和基于UDEC 6.0 Trigon网格划分方法的数值模型,得到对拉锚杆、钢筋网等构件对充填体的加固机理,表现为"三大两小":随着充填体的压缩变形,加固构件对其围压增大,充填体内垂直应力集中面积增大,最大承载能力增大20.3%,两帮变形及顶底角鼓包减小,内部错动开裂减小;对拉锚杆和钢筋网的加固作用在充填体大变形情况下尤为明显,使其更好地适应巷道围岩剧烈变形。     

大断面沿空留巷充填体的受力变形分析

根据沿空留巷的力学环境建立了充填体的弹性力学模型,运用变分原理研究充填体的位移分布特征,初步得到了充填体内的位移场分布规律,并对充填体位移与巷道宽度、充填体宽度及支护阻力之间的关系进行了分析,得到如下结论:充填体内侧水平位移随着留巷宽度的增加而增大,即巷道宽度越大,充填体侧向变形越大;当充填体宽度较小时,其内侧水平位移两端小、中间大,随着充填体宽度的增加,其顶部和中部位移都相应增大,顶部位移增加幅度较大,即充填体宽度越大,其侧向变形越大;充填体内侧水平位移随着支护阻力的增大基本没有变化。     

充填体的支撑作用机理(续)

<正> 七、充填体的承载能力上面已经谈过充填体的承载能力愈大,它对围岩变形的阻止作用也就愈明显,使得作用在矿柱上的应力也有所改善,因此,可以改善采场周围的应力分布并减少因高应力集中而产生突然破坏的机会。充填体的承载能力与充填料的弹性模量,也就是刚度,有     

煤矸石梯形条带充填采空区可行性研究

煤矸石充填采煤技术能用于低成本、安全、高效回收“三下”压煤和煤柱资源,有效循环利用矿区矸石是绿色开采的关键。提出了梯形条带充填采煤岩层控制的等价采体理论。进一步对梯形充填体的尺寸确定和稳定性进行了分析。分析表明：充填体的稳定性随采深和采高的增大而减小,随充填体截面尺寸的增大而增大;梯形充填方式适用于采高较小的中薄煤层开采,密实充填方式更适用于采高较大的厚煤层深度开采。     

不同养护温度下尾砂胶结充填体抗压强度及破坏形态的试验研究

为探究养护温度对尾砂胶结充填体抗压强度及破坏特征的影响,开展充填体单轴抗压强度试验,并通过扫描电镜试验分析不同养护温度下充填体的微观结构。研究结果表明：养护温度的增加有利于提高充填体的早期抗压强度,但当养护龄期超过14d后,充填体的抗压强度随着养护温度的增加呈先增大后减小的趋势;当养护温度处于20℃~30℃时,充填体抗压强度随着养护龄期的增加而增大,但当温度超过30℃后,充填体抗压强度随着养护龄期的增加呈先增大后减小的趋势,并且充填体抗压强度的降幅也随着养护温度的增加而增大;养护温度的改变不会对充填体应力-应变曲线形态产生显著的影响,并且充填体的单轴受压破坏主要经历了孔隙、裂隙压密、线弹性变形、屈服破坏和峰后破坏4个阶段;不同养护温度下的充填体均表现出了明显的拉伸破坏,并且随着养护温度的增加,充填体的变形破坏也越严重;微观结果表明,合适的养护温度能够显著提高充填体微观结构的致密性,有利于强度的发展,而高温产生的自由水蒸发效应会导致水化产物的减少及空隙结构的增多,从而对充填体抗压强度产生不利的影响。     

酸性环境中矸石胶结充填体强度及徐变特征

为了研究酸性矿井水中矸石胶结充填体强度及长期变形特征,采用实验室加速腐蚀方法,测试不同质量分数和不同pH值硫酸溶液中充填体的抗压强度、质量、超声波波速、徐变变形随时间变化规律,建立了强度-时间、波速-强度及徐变模型,通过SEM和XRD分析腐蚀后充填体微观结构及化学成分.研究表明:随腐蚀龄期的增加,试件抗压强度和波速先增加后减小,质量先减小后增加再减小,90 d后强度损伤度逐渐增大;pH值越小、充填材料质量分数越小,试件各宏观性能随龄期增长所受影响越大;充填体徐变应变随时间增长而增加,随pH值、质量分数的降低而增加;腐蚀前期,硅酸钙凝胶和钙矾石填充内部孔隙,试件承载能力增加;腐蚀后期,钙矾石分解生成二水石膏后吸水膨胀,破坏材料内部晶体结构,试件承载能力降低.     

孔隙水压对充填体性能的影响

为探究大水矿山充填体的力学性能变化,将充填体试块置入高压水体中使其内部形成孔隙水压,研究孔隙水压下充填体的抗压强度、抗拉强度和含水量等指标的变化。试验以孔隙水压、浸入时间、充填配比和料浆浓度为主要影响因素,开展29组充填体强度试验。方差分析表明,料浆浓度和充填配比对充填体抗压强度影响极显著,孔隙水压影响显著;浸入时间对充填抗拉强度影响显著。相同充填配比和料浆浓度下的充填体抗压和抗拉强度随孔隙水压和浸入时间增长而下降,其中抗拉强度下降幅度较大。充填体含水量随孔隙水压增大而增大,增长趋势和充填体强度增大趋势相吻合。     

急倾斜走向分段充填顶板初次断裂应力分布规律

根据急倾斜煤层综采走向分段充填开采采空区下部自然冒落矸石和充填柱体布置特点,利用弹性薄板理论建立了急倾斜综采走向分段充填的力学模型,推导了顶板在上覆岩层、自然冒落矸石和采空区分段充填共同作用下的变形挠曲方程。以湘永煤矿2463工作面为背景,分析了顶板应力分布及演化规律。结果显示:(1)顶板产生应力集中和最大不均衡力均出现在工作面中上部位置,说明工作面顶板应从中上部位置最开始变形破坏;(2)在不同充填比条件下,采空区分段充填比越大,顶板受力就越大,挠度反而越小;(3)顶板应力平均值随着充填体强度和煤层倾角的增大而增大,而剪切应力平均值却是随着充填强度的增大而减小,剪切应力随着煤层倾角增大而增大。充填体强度越大对改善顶板受力状态的作用也越大;而煤层倾角越大,顶板的应力和剪切应力值增大,且分布更为不均。利用FLAC3D进行数值模拟得到的应力分布结果与通过挠曲方程得出的应力分布与演化结果基本一致。     

低温高寒环境下尾砂胶结充填体强度特性研究

研究了低温高寒环境下尾砂胶结充填体的强度特性, 并采用灰色关联分析方法探究了充填体强度对灰砂比、料浆质量浓度和养护时间等强度控制因素变化的敏感程度。结果表明, 低温高寒环境下, 充填体强度随着灰砂比、料浆质量浓度和养护时间的增大而增大, 影响充填体强度的最主要因素为灰砂比, 其次为养护时间, 再次为料浆质量浓度。     

混合骨料充填体强度发展规律与配比优化

混合骨料充填体强度受混合骨料配比、充填料浆质量 分数和水泥掺量等多因素影响.为探究不同因素对充填体 强度 的 影 响 规 律,并 确 定 最 佳 充 填 配 合 比,采 用 BoxＧ Behnken响应面法(RSMＧBBD)开展了混合骨料充填配合比 试验.以河砂占比、料浆浓度和水泥掺量作为影响因素,以 充填体７d、１４d和２８d强度值作为响应量,构建了不同养 护龄期的充填体强度试验回归模型.试验结果表明:混合骨 料堆积密实度随着河砂占比增大先增大后减小,充填体强度 亦表现出了相同的发展趋势.在多因素影响下,河砂占比越 大同时料浆质量分数越小时,充填体强度越低;河砂占比越 小同时水泥掺量越大时,充填体强度越高;充填体强度随着 水泥掺量和料浆质量分数的提高而增大.     

矿柱—充填体系统协同作用机制研究

为深入分析矿柱和充填体的协同作用机制,针对矿山点柱式充填开采工艺,抽象出矿柱—充填体系统模型,并利用FLAC3D数值模拟软件构建其力学模型,从整体和局部的角度综合分析了矿柱和充填体的协同作用关系及其承载机制.研究表明:充填体对矿柱存在4种作用效果,即提高矿柱峰值强度、限制矿柱径向位移、延缓矿柱破坏、加强破坏矿柱承载能力...     

复杂地形下缓倾斜磷矿床条带充填分区协同开采技术

如何实现复杂地形下缓倾斜矿体安全高效开采是目前亟待解决的关键问题。以宜昌某磷矿为工程背景,根据地应力不均匀分布特征构建分区采场结构,基于“协同开采”理念,提出了与其相适应的条带充 填分区协同开采技术,实现了同一盘区回采与充填协同作业。运用物理相似模拟试验方法,研究了分区协同回采过程中顶板及围岩矿柱的受力变形特征及其变化规律,探讨了分区充填过程中采场矿柱的承载机制。结 果表明：采区之间相互干扰程度较弱,围岩应力转移程度受埋深和开采步骤的影响较大;随着开采与充填的协同进行,不同采区条带上方顶板受拉与受压交错性分布;分区协同回采过程中,围岩及充填体矿柱并未发 生明显破坏,其中一步骤充填体和围岩矿柱是采场内的主要承载体,二步骤充填体的承载作用相对较弱;盘区矿柱之间及隔离间柱发生了非对称性变形。为了进一步降低充填成本,在原有协同充填模式的基础上适当 降低二步骤充填体的力学强度,并通过数值模拟方法验证了优化后采场充填模式的可行性。条带充填分区协同开采技术有助于实现复杂地形下缓倾斜矿床安全、高效、经济开采。     

巷柱式充填开采邢东矿井2#煤层的稳定性分析

针对邢东矿井2#煤层巷柱式充填开采特点,运用FLAC3D数值分析软件构建三维数值模型,模拟煤层被开采、支护及矸石充填的过程。分别对比方案一（巷道锚固后不充填）和方案二（巷道锚固后充填矸石）2种工况下的地表沉降量、塑性区和垂直应力场的变化。分析得出矸石充填体通过对煤柱施加侧向应力而提高煤柱的承载能力,能较好地减小地表的沉降量,减少岩体塑性区的范围,使垂直应力值得到有效控制。     

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。     

基于岩层移动理论的矸石条带充填采空区可行性研究

以弹性地基梁为基础,建立条带充填采煤岩层移动的力学模型,并对充填体承载基本顶岩梁进行了有限元受力分析;在此基础上进一步对条带充填体的布置方式、间距以及宽度进行了优化,并对优化结果进行了回归分析。分析表明：基本顶岩梁在充填体支撑内侧边缘处受力最大,在相邻两充填体之间的未充填区域中部变形最大;充填体以垂直工作面推进方向间隔布置能有效地封闭采空区的瓦斯,减少回风巷中瓦斯浓度;充填体的稳定性随采深和采高的增大而减小,随充填体宽度的增大而增大。     

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。     

构造充填开采基础理论与地下空间利用构想

为应对充填采煤面临的成本逐渐增高、效率相对低下、地下空间资源被大量浪费等挑战，提出了构造充填开采思想。构造充填是一种充填率低、结构稳定性强、充填效果好的充填开采，其目标为:高效利用矿区固废资源、降低充填成本，改进充填材料与工艺、提高充填效率，合理进行采充规划、实现对地下开采空间的再利用。构造充填的设计原则为:直接顶不发生破断且变形量在允许范围内、充填体抗压强度足够大且能长期稳定承载。根据此原则确定了构造充填的关键位置为:特殊地质构造区、围岩应力集中区、直接顶最大受力处、直接顶最大变形处和充填体自身薄弱点等。构造充填的关键技术主要包括:通过优化煤矸石骨料形态与颗粒级配、研发新型低成本胶凝材料、开发新型外加剂、发展多种替代原材料等手段进一步开发新型固废充填材料;通过构建不同形态高强构造充填体和直接顶自承结构构建“构造充填体-直接顶”复合承载结构;通过研发智能化充填材料制备系统、可视化充填料浆输送系统、独立式充填体构筑系统、移动式充填材料浇注系统、立体化充填效果监测系统构建井下一体化构造充填系统。基于“三下”压煤资源的开采需求，在构造充填开采思想的引领下，提出了在城市下建设地下综合体、在村镇与农田下建设地下农业基地、在铁路(公路)与水体下建设地下储库等构想。     

谦比希铜矿充填体强度计算及物料配比优化

谦比希铜矿西矿体采用上向进路膏体充填采矿法进行回采。为了避免充填强度设计过剩,降低水泥单耗及充填成本,根据西矿体的开采结构参数,采用经验类比及理论分析相结合的方法,确定了西矿体较为适宜的充填强度。在此条件下通过开展膏体流动性能、强度性能及凝固性能的试验研究,确定了充填浓度及物料配比,为矿山降本增效提供参考。     

急倾斜厚大矿体采矿方法的选择

地表不允许塌陷时,急倾斜厚大矿体的开采是一个世界采矿技术难题。国内外对此类矿体采用高阶段空场嗣后充填法和高分段空场嗣后充填法。以李楼铁矿厚大矿体的开采为实例,从矿体赋存形态和矿岩稳固性对空场法、崩落法、充填法进行采矿方法的初选。对生产中应用的25 m高分段凿岩空场嗣后充填法和高阶段侧向崩矿嗣后充填法从采场生产能力、采场工程布置、采准工程量、工艺技术、采场充填周期进行技术分析比较,提出以高阶段侧向崩矿嗣后充填法为主,25 m高分段上向扇形孔空场采矿嗣后充填法和浅孔留矿法为辅的采矿方法,能实现安全、高效、大规模生产。随着凿岩设备、装药设备、爆破器材的发展,大孔穿爆,高分段或阶段凿岩在矿山中的应用越来越广泛,对类似开采条件的矿山具有一定的借鉴意义。     

人工假顶充填体稳定性数值分析

焦家金矿北部矿山矿岩破碎、充填体稳定性不理想,本研究对该矿不同进路的采场结构和人工假顶承载层厚度条件下承载层及相邻充填体的应力、应变、塑性变形等情况进行了数值模拟、非线性分析。根据分析结果,12种模型的承载层压应力过大,极有可能发生破坏;相邻充填体几乎均发生压坏现象,进路回采安全性差。故建议优化人工假顶构筑工艺,增加承载层强度,提高进路回采安全性。