充填膏体蠕变损伤模型研究

为研究充填膏体的蠕变特性,对以水泥、粉煤灰、煤矸石制备的充填膏体试件进行分级加载蠕变试验,试验结果表明,充填膏体具有较大的瞬时弹性变形,变形值随应力水平的提高而增加;蠕变阶段表现为明显的减速蠕变阶段和等速蠕变阶段,蠕变变形随应力水平的提高而增加。根据实验结果,确定用Burgers模型描述充填膏体的蠕变过程,并采用一种新的损伤模型的建立方法,推导出基于Burgers模型的蠕变损伤方程,建立蠕变损伤模型。使用Origin软件对试验结果进行拟合以确定模型参数,结果表明,建立的模型曲线与试验结果吻合良好,该蠕变损伤模型能够较好反映考虑损伤的充填膏体的蠕变特性。     

膏体充填沿空留巷巷道支护设计研究

以斜沟煤矿18503工作面材料巷沿空留巷工程实况为背景,研究了在采用不同支护方式的条件下膏体充填沿空留巷成巷稳定性问题,结合相关矿山围岩应力理论,在该矿井原有掘进成巷支护参数、支护方式的条件下,提出了新的支护方案,并结合相关矿山压力理论,建立了相似模拟物理模型,利用FLAC3D数值软件进行了模拟与验证,得出加固方案有效控制了巷道周围破碎区和巷道表面位移,留巷稳定后相较于原方案,两帮移近量只占原来的38%,顶底板移近量只为原有方案的53%.     

充填膏体蠕变宏观硬化试验研究

为探索煤矿充填膏体的长期强度特征,采用水泥、粉煤灰、煤矸石等材料按照1∶4∶6配比制成充填膏体试件,对其进行了单轴压缩与蠕变试验。基于试验结果,分析了充填膏体试件的物理特性、蠕变瞬时变形模量等参数变化规律。研究表明:充填膏体致密性差、可压缩性强,在缓慢加载过程中试件趋于均匀、致密;蠕变试验过程中,在破坏前的各级应力水平上,随着应力水平提高和变形增加,充填膏体试件的瞬时变形模量增大,增长率为1.77×105%;同时,每级应力水平下弹性应变阶段的应变率随应力水平提高而逐渐减小;充填膏体蠕变强度大于单轴抗压强度,平均蠕变系数为1.09,充填膏体在蠕变过程中强度发生了宏观硬化。     

粉煤灰对膏体充填材料特性影响试验

基于我国三下压煤现状,研究了以水泥为胶结料,原煤和粉煤灰为粗细骨料的充填材料。通过正交试验的方法,定量确定了水泥、粉煤灰和原煤在不同配比和在不同膏体浓度下对膏体材料各项性能指标的影响程度,以及指标随各因素变化趋势。     

超细全尾砂膏体充填材料特性试验

为探索某矿山超细全尾砂作为充填材料的可行性,开展了充填材料特性试验研究。试验结果表明,全尾砂-75μm粒级占比83.14%,-20μm粒级占比56.91%,属于超细粒级全尾砂。在添加SNF625V型阴离子絮凝剂20 g/t,矿浆稀释浓度为10%时,全尾砂絮凝沉降效果最好。全尾砂自然静态沉降极限质量浓度约62%,动态沉降试验1h以后底流浓度可达到极限浓度65%,料浆流动性较好。动态沉降溢流水含固量小于80mg/L,溢流水澄清度高。当质量浓度超过68%时,料浆流动性变差,很难实现管道自流输送。当质量浓度为68%,灰砂比为1︰4时,料浆坍落度为25.2 cm,泌水率为1.62%,充填体7 d和28 d抗压强度分别大于1.0 MPa和2.5 MPa,满足矿山井下回采技术要求,达到了膏体优良状态。     

尾砂膏体跳采充填开采相似材料模拟试验

为研究以尾砂为骨料、胶固粉为细集料的膏体跳采充填覆岩变形、移动及破坏的规律,以张赵煤矿102采区1021工作面为工程背景,基于相似理论建立相似物理模型,对跳采充填情况下煤柱及充填体稳定性、顶板裂隙发育、弯曲变形规律进行研究。试验结果表明:第1轮采5 m,留15 m煤柱跳采充填开采后,基本顶和直接顶基本稳定,没有变形;第2轮开采煤柱累计长度80 m,随着回采煤柱数目增多,直接顶发生下沉明显,在距开切眼90 m处1~8测点下沉最大值达到4.5 cm;当工作面完全充填开采后,上覆岩层下沉最大值为22 cm,离层发育高度为29.4 m;煤柱和充填体所受垂直应力随煤柱回采数目增多而变大,煤柱监测数据的变化呈现阶梯状增加,分为突变期、缓增期、稳定期3个阶段;充填体受力稳定在0.012~0.02 MPa之间,变形小。     

低成本快硬材料在膏体充填中的应用

以水淬渣为主要胶凝材料,以粉煤灰配入一定比例的铁矿尾砂为集料,通过多种激发剂的激发活化作用,实现了胶结体的早期强度：4 h强度达到0.3 MPa以上,满足了矿山对充填体早期强度要求较高的特点。同时,在胶凝材料中以水淬渣取代了普通水泥,在充分利用了工业废渣的同时降低了充填成本。     

深部采场膏体充填挡墙受力分析

根据驰宏公司采场膏体充填实际,为防止挡墙破坏和跑浆,对挡墙进行力学分析,提出工艺改造方案.在充填料浆高于和低于挡墙两种情况下,分析了膏体泵入采场后不同阶段的力学性能,证明液相状态下对挡墙的作用最大,为防止倒墙,提出最大弯矩作用点和加强支护的定位方案.     

风积砂似膏体煤矿充填材料特性试验研究

通过对风积砂的取样和试验,分析风积砂似膏体料浆的反应机理,再通过试验研究不同风积砂和辅料掺量对充填材料特性的影响。试验结果表明:风积砂主要成分为SiO2和Al2O3,粒径级配不良,随着风积砂掺量的增加,充填体的表观密度增加23.4%,材料成本下降至93元/m3,降低了25.6%;随着辅料掺量的增加,充填体28 d强度增加59.4%,结石率增加至109.5%,增加了23%,充填体表现为微膨胀。     

红土膏体充填材料及其物理特性试验研究

充填开采是实现矿山安全绿色开采的重要途径,但要求充填材料来源广泛、成本低,且必须能满足充填工艺要求,为开发新型膏体充填材料,以广西百色州景煤矿为工程背景,使用取材方便、成本较低的红土代替粉煤灰,将其与煤矸石,胶结材料混合制成红土膏体充填材料。通过试验测量不同固体材料质量比,不同干料质量分数的红土膏体充填材料的坍落度、扩展度、泌水率,并使用RYL-600剪切流变仪进行单轴压缩试验,测其抗压强度与弹性模量,进而分析红土膏体充填材料的强度特性,以及材料配比与干料质量分数对其性能的影响规律。研究结果表明:同等条件下与传统粉煤灰型充填材料相比,红土型充填材料强度差别不大,并且红土具有成本低、取材方便以及对环境无污染等优势;干料质量分数对充填体强度影响最大,当为80%时性能最优;随着红土掺量增加,充填体强度会降低,数据显示,红土与水泥质量比在1∶1、1∶2、2∶1时均满足充填要求,矸石、红土、水泥质量比为6∶2∶1时,充填材料既符合膏体充填工艺要求,又能减少充填成本。     

膏体置换煤柱充填体承载特性及工作面支护强度研究

以山东能源集团岱庄煤矿2351膏体充填置换条带煤柱工作面为例,对井下充填体承载特性及工作面支护强度进行了研究。在分析膏体充填开采顶板运动特征的基础上,建立了膏体充填开采顶板稳定性力学模型,推导出了膏体充填开采工作面支护强度力学关系式。结果表明:膏体的力学性质离散性较大,强度较高,弹性模量和泊松比偏低,在低围压下膏体即表现出典型的塑性强化特性。充填采场上覆岩层主要存在裂缝、离层和弯曲下沉,不存在垮落带。充填体上分布的垂直应力既不是大小相同的水平线,也不是类似于条带煤柱上的马鞍形分布,而呈现出波浪形分布,自充填完成至覆岩运动稳定,充填体受力未出现突变现象,是一个逐步增大并趋于稳定的过程。2351膏体充填工作面现选用的充填式液压支架虽可有效地控制顶板下沉,但未能发挥所选支架的效能,还可进行适当优化。     

软岩巷道支护蠕变分析

根据粘塑性固体的蠕变分析，给出软岩巷道锚喷、锚注支护的力学机理，为煤矿软岩巷道的支护设计提供理论依据，并指出今后的发展方向。     

膏体充填开采胶结体的蠕变本构模型

为分析膏体充填开采胶结体的蠕变特性,进行了三轴蠕变试验。在试验基础上推导了考虑时间和应力2个变量的损伤演化方程,将损伤变量引入改进的西原模型中,建立了新的本构模型,推导了胶结体的三维蠕变本构方程。根据试验数据对该模型的蠕变参数进行拟合,将理论计算的蠕变曲线与试验得到的蠕变曲线进行了对比。研究结果表明：膏体充填开采胶结体属于黏弹塑性材料,具有明显的流变特性。在偏差应力值较小的应力水平下仅有衰减蠕变和稳态蠕变2个蠕变过程,在偏差应力较大时有加速蠕变阶段,蠕变值随偏差应力值的增加而增加,蠕变值增大速率随偏差应力值的增加而减弱。引入损伤的改进西原模型能较好地反映胶结体的蠕变规律。     

风积砂在膏体充填材料中的添加研究及应用

为了采用在我国西北地区广泛存在的风积砂作为充填骨料,降低充填成本,并实现榆阳煤矿充填材料的本地化,进行了风积砂的物理力学性能实验,在实验室配合比实验的基础上进行了风积砂在膏体充填材料中的添加应用研究和工业性实验。通过风积砂的添加,使充填材料成本下降了25.6%。不仅取得了较好的经济效益,还实现了对生态环境的合理保护。     

具有膨胀特性膏体充填材料的物理力学特性研究

针对煤矿采空区膏体充填材料无法充分接顶的现状,运用X射线衍射仪(XRD)及X射线荧光光谱分析仪(XRF)对膨润土、煤矸石、粉煤灰等膏体充填材料进行化学物相分析,结合自制的膨胀测定仪器,分析检测不同膨润土掺入比的膏体材料膨胀率随时间的变化关系,并对不同养护龄期下的膏体试件进行力学性能测试与微观水化机理研究。结果表明:配比P04为最优配比,即胶结料∶膨润土∶煤矸石∶粉煤灰为1∶0.6∶3∶4,质量浓度为72%,28d单轴抗压强度为4.85 MPa,膨胀率为2.25%。P04膏体衍射谱图表明,不同龄期的水化产物各物质含量各不相同,在水化初期8h内即生成一定量的钙矾石,28d生成大量的C-S-H凝胶。     

大采高充填工作面巷道超前支护优化

为进行膏体充填开采工作面超前支护进行优化设计,对1331大采高膏体充填工作面巷道超前矿压规律进行研究,通过超前巷道围岩钻孔应力监测观测,研究得到了工作面超前支承压力影响范围及程度,了解了巷道受超前支承压力采动影响情况。结果表明:膏体充填开采工作面超前前方受支承压力扰动的距离约为30m,扰动剧烈的距离约为10m,工作面前方煤壁的破坏区为3.6m,工作面开采对前方巷道扰动程度相对采空区全部垮落法工作面较低。在此基础上确定了合理有效的巷道超前支护优化方案,达到了降低工人的劳动强度的目标。     

矸石膏体充填材料配比优化

为了合理确定岱庄矿矸石膏体充填材料的合理配比,采用均匀设计方法开展了28组实验,研究粉煤灰、水泥、矸石的不同配比对膏体坍落度、分层度、泌水率、充填体早期强度和长期强度的影响规律。基于关键层理论提出了充填体长期强度的计算公式,并采用Matlab软件拟合出了矸石膏体充填最优配比,即粉煤灰∶水泥为3.2、矸石∶水泥为4.5、料浆质量浓度为75.3%。该条件下对应的充填性能参数分别为:坍落度184.44 mm、分层度13.87 mm、泌水率1.48%、充填体早期强度0.16 MPa、充填体长期强度3.89 MPa,与实验结果基本吻合。     

基于煤和粉煤灰的膏体充填材料特性试验

通过对多数重组煤矿井进行调查,发现大多数矿井都存在有破碎断层、空巷。对这类矿井需要必要的充填,才能方便工作面的推进与顶板支护管理。通过试验对能够满足煤矿膏体充填要求的胶结材料进行探索,试验采取正交试验的方法,比较了普通硅酸盐水泥、聚羧酸减水剂与粉煤灰三者之间不同配比的胶结性能。试验的骨料为某重组矿井的原煤,胶结材料以粉煤灰与水泥为主,添加剂为聚羧酸减水剂。通过正交试验,得出最终结论:选取水泥∶原煤∶粉煤灰=1∶3∶4,膏体浓度78%,减水剂添加量1.0%时,可以满足巷道充填的要求。     

尾矿砂膏体充填材料毛细吸水特性试验研究

采用ISAT法与吸水动力学法测试膏体充填材料的毛细吸水特性与孔结构变化情况,结果表明:增大粉煤灰与水泥用量均能降低膏体充填材料的表层毛细吸水性,且粉煤灰的效果更显著;增大粉煤灰与水泥用量均能降低充填体的平均毛细孔径;水泥用量增加,尾砂充填体的孔径均匀性系数减小,且均匀性系数随粉煤灰掺量的增加先增大后减小;确定粉煤灰最优掺量,适当增大水泥用量,能够优化膏体充填材料的孔结构,保证其耐久性能。