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。     

巷式充填工作面矿压显现规律实测分析

为保证试采面的安全回采,研究巷柱式充填矿压规律,对王台铺煤矿充填试验面的矿压显现进行了实测研究。通过矿压数据分析可知,工作面开采期间,支巷顶板锚杆受力变化平稳,增幅较小;煤柱应力呈现增大—减小—增大的变化趋势,邻近支巷开采时,煤柱应力会迅速增加,支巷充填可以增强煤柱的承载能力;支巷中部离层值、顶板下沉值和两帮移近量均大于两端头。     

膏体充填开采围岩变形及地表移动实验模拟研究

以某煤矿2307充填开采工作面为原型,采用相似模拟与数值模拟相结合的方法,建立地质力学模型,模拟分析了开采充填过程中围岩、地表的力学演化规律和移动变形过程。研究表明:充填开采可有效控制覆岩破坏和地表变形,顶板出现离层裂隙,但未垮落,最大下沉滞后工作面约58.5m;开采过程中围岩应力释放,顶板出现拉伸,采空区前后端及底板出现应力集中,为开采前的1.47~1.78倍,充填工作面周期来压不明显;开挖后地面下沉值为212.7mm,下沉系数为0.06,地面水平变形和倾斜变形形态与垮落法管理顶板曲线形态相似,量值较小。     

超高水材料袋式长壁充填开采覆岩控制技术研究与应用

系统分析了超高水材料袋式充填开采采场覆岩结构的特点,得出了工作面支架需控岩层范围及其变化特征,揭示了长壁充填开采“支架-围岩”关系,明确了提高充填率是超高水材料袋式充填开采覆岩下沉控制的关键因素。结合亨健矿2515工作面充填开采地质与开采技术条件,开发并实施了隔板布置优化、采空区埋管补注浆充填、离层区打钻补注浆充填等充填率保障技术与工艺。现场实测结果表明,超高水材料袋式充填开采工作面矿压显现缓和、采场围岩破裂范围较小且能有效控制地表下沉：① 工作面巷道顶底板最大移近量为258 mm,两帮最大移近量为183 mm,围岩变形较小;② 微震监测系统表明,2515工作面超前破裂范围为20~30 m,围岩破裂高（深）度为顶板以上40 m至底板以下10 m,1个月后（推进距离60 m左右）已充填区域微震事件逐渐消失;③ 地表最大下沉量为265 mm,实测下沉系数为0.06。     

膏体充填回收孤岛煤柱围岩控制技术研究

随着煤矿的长期开采,各种孤岛煤柱的安全、高采出率回收成为矿井亟待解决的难题。针对朱村矿东一下山保护煤柱回收难题,采用膏体充填法进行回采。分别从工作面液压支架与围岩的相互作用关系及支护强度要求、充填期间“充填体—上覆岩层”支撑结构体系的稳定性和充填体强度要求以及充填率对地表开采沉陷的影响3方面进行了分析研究。通过采用膏体充填开采,工作面巷道围岩稳定,上覆岩层无明显裂隙离层发育,表现为随工作面开采整体缓慢下沉状态;按开采高度2.5 m计算,地表下沉系数为0.137,地表建筑物在Ⅰ级损坏之内。     

长壁综采充填前顶板不可控下沉量研究

充填前顶板下沉量是引起充填开采地表沉陷的主要因素之一,受充填回采工序的影响,充填前顶板下沉量较常规回采工作面大且仍没有有效办法加以控制,此处将该下沉量定义为充填前顶板不可控下沉量;以邢台矿7608充填工作面为工程背景,对充填前顶板不可控下沉量进行研究,通过弹性地基梁理论对不可控下沉量影响因素进行定性研究;利用FLAC~(3D)数值模拟和相似模拟试验对充填前顶板不可控下沉量的影响因素进行定量研究。结果表明:煤层埋深和顶板岩性对该下沉量影响较大,同时通过优化采高和控顶距及提高液压支架的初撑力和工作阻力可以缓减充填前顶板不可控下沉量。     

长壁矸石充填开采上覆岩层移动特征模拟实验

长壁矸石充填工作面采空区由于被充填材料占据,上覆岩层移动特征将不同于垮落法管理顶板,采用相似模拟和数值计算模拟工作面回采和矸石充填过程。通过改变支架初撑力和工作阻力、充填材料的夯实力,模拟不同充填率情况下上覆岩层应力变化和岩层移动特征,结合现场实测结果认识长壁矸石充填开采上覆岩层移动规律。研究发现：支架工作阻力对充填效果影响显著,充填支架高初撑力和工作阻力可以限定顶板的变形,保证足够的时间使更多的充填材料充进采空区,进而减小缓慢下沉带高度,控制地表变形。采空区内充填材料限制直接顶的变形、下沉以及冒落,直接顶以断裂和冒落为主,冒落后整齐地排列在采空区矸石上。基本顶以弯曲下沉形式随直接顶移动,上覆岩层冒落高度显著降低。     

工作面覆岩移动变形观测分析

为了准确掌握工作面开采引起覆岩的变形情况,以Z11590工作面采后的覆岩变形为观测的对象,对顶底板移近量、顶底板间应力、覆岩的离层量和超前支撑压力进行观测。分析结果显示,随着工作面的远离,工作面后方的采空区顶板与充填体接触,由于所充填的似膏体起到了支撑作用,顶板下沉速率减缓,下沉量逐渐稳定,最大下沉值为0.376 m;采空区内竖向围岩应力在充填体的承压作用下增长缓慢,竖向应力最大值为8.7 MPa,采空区内充填物承载压应力为原岩应力的75%;顶板中水平离层裂隙的高度也得到了控制,最大高度为15mm;超前支承压力峰值距工作面2.0 m左右,影响范围约为14.4 m左右,最大峰值压力为24.6 MPa,支承压力系数为2.12。     

厚层软岩断顶充填沿空留巷关键参数研究

针对厚层软岩顶板沿空留巷的技术难题,提出厚层软岩顶板断顶充填沿空留巷技术,创建"断顶卸压+巷旁垮落充填"沿空留巷围岩协调控制方法,构建厚层软岩断顶充填沿空留巷数值模型,研究断顶角度和预制裂缝间距对实体煤壁支承应力、巷旁垮落充填体稳定性对覆岩变形规律的影响。研究结果表明:断顶角度为5°时,减小了充填体上方岩层回转变形的空间,减小了剪切破坏区,缓解了采空侧顶板下沉剧烈程度;预制裂缝间隔为1 m时,在工作面后方,顶板岩层预制裂缝能及时扩展贯通,在巷旁形成垮落充填结构,采空侧垮落岩体抑制上覆岩层的弯曲下沉,减弱应力集中,压力变化幅度较小。研究成果在常兴煤业取得成功应用,监测结果显示在工作面后方70～80 m处,围岩变形趋于稳定,顶板没有明显离层、错位现象,巷旁垮落充填体结构稳定。     

膏体充填参数对上覆岩层破坏规律的数值模拟研究

传统的条带开采中,巷道开挖后扰动了巷道上方原岩应力的分布状态,巷道上方的顶板在二次应力场的作用下会发生变形、破坏,严重时会导致结构失稳、垮塌和破坏。为研究不同的膏体充填参数对覆岩应力分布规律的影响,本文运用数值模拟的手段以小屯矿条带充填开采为背景,选取采空区顶板及煤柱塑性区破坏范围、巷道顶板和煤柱的下沉量作为充填体的充填效果,得出不同充填体的充填率、充填体强度对上覆岩层破坏规律的影响。