充填体下隔离中段采场结构参数优化

充填体下隔离中段大直径深孔采矿的难点,主要是充填体强度较低及充填质量分布不均匀,无法保证应力集中状态下采场顶板和上部充填体的稳定性,实现矿山资源的安全回收.采用FLAC3D有限差分程序,模拟计算了阿舍勒铜矿充填体条件下450 m中段4种采场跨度下的3种回采方式,从位移、最大主应力和最小主应力3个方面对采场顶板和上部充填体的稳定性进行了对比分析研究.结果表明,采场跨度12m时,充填体顶板稳定性良好;当采场跨度14 m时,充填体顶板沉降及矿柱主应力明显增大,处于极限平衡状态;当采场跨度15 m时,采场顶板的主应力急剧降低,最大垂直位移急剧增加,采场已失稳.因此,为保证450 m隔离中段矿柱的顺利回采,一、二步骤的采场跨度不宜超过12 m.     

基于流体力学理论的全尾砂浆管道输送流变性能

为研究充填料浆流变性能,利用流体力学原理,通过L型管道自流输送实验对其在管道中流动的力学特性进行了分析. 结果表明:料浆浓度、流量和管径对料浆管输阻力和充填倍线大小的作用程度不同,其中料浆浓度影响尤为显著. 在能够实现自流输送的充填倍线合理条件下,采场充填时,当结合充填能力确定流量和管径后,可通过充填站调节制浆浓度以使充填材料在管道输送、采场中沉降、抗离析、脱排水、固结硬化和力学性能等方面表现良好.     

充填料浆沉降规律研究及输送可行性分析

通过分析充填料浆在管道自流输送系统中的运动形式与充填骨料固体颗粒的沉降规律,得知充填料浆能否稳定地输送到采空区跟输送速度及水平管道的长度有关。结合孙村煤矿的煤矸石似膏体充填料浆的特点,利用Fluent流体分析软件对料浆的管道输送过程进行了模拟,并从理论上分析了以煤矸石作为主要骨料的似膏体利用管道自流输送的可行性。模拟分析表明,料浆的自流压差能够克服在管道自流输送过程中的沿程阻力损失,并且在3.82m/s的水平管道输送速度下,料浆垂直脉动速度分量38.3cm/s大于煤矸石的干涉沉降速度0.99cm/s,因此,似膏体能够自流输送到采空区。     

废石尾砂混合料浆流变特性及充填采场流动性试验

为了在金川充填采矿中实现废弃物资源化利用,开展了废石和尾砂两种骨料的混合充填料浆流变特性以及在采场中的流动性研究.首先基于现场取样进行废石和尾砂两种骨料的粒径级配分析,获得了满足充填骨料级配的废石与尾砂的质量比分别是6∶4和5∶5.然后针对这两种混合充填料,进行高浓度充填料浆坍落度试验.结果表明,两种混合充填料浆的坍落度大于20cm,满足金川矿山充填料浆泵送输件的要求;其质量分数在78%以上时属于高流态料浆,但废石与尾砂质量比为6∶4的混合充填料浆的流动性略优于质量比为5∶5的.通过混合充填料浆环管试验,确定了废石与尾砂质量比为6∶4、管径为130mm和质量分数为78%的混合充填料浆为合理管输参数.最后根据充填采场现场调查和强度分析,发现废石与尾砂质量比为6∶4和5∶5的混合充填料浆在采场中流动的坡面角分别为0.55°~1.19°和0.38°~1.26°,但料浆在下料点存在不明显的"锥堆"现象.采场中胶结充填体强度呈现"下高上低"现象,说明废石尾砂混合充填料浆仍存在轻度的沉淀离析.     

上向进路充填采矿法不同接顶率充填体的稳定性

 基于充填料浆采场流动规律和分级尾砂充填进路终态,研究了上向进路充填采矿法不同接顶率充填体的稳定性。将充填料浆采场流动分为不受限沉积扩散和受限向上堆积两个过程,结合充填料浆采场充填终态,从50%充填接顶率开始,按5%递增梯度构建不同充填接顶率的充填体三维模型,运用MIDAS/GTS 有限元软件模拟分析不同接顶率充填体受力状况,提出了考虑抗拉、抗压安全系数和拉应力、压应力集中区域体积的综合安全系数方法,用于评价充填体的稳定性。以某矿山为例的评价结果表明,对于二步进路采场开采,一步进路采场充填体的接顶率和综合安全系数越大,其稳定性越高;当接顶率不足75%时,抗拉、抗压安全系数大于1,综合安全系数小于1,充填体有失稳风险;而当接顶率大于75%时,抗拉、抗压安全系数和综合安全系数均大于1,充填体处于稳定状态,其稳定性满足安全生产要求。     

基于松动圈理论的充填体下巷道顶板安全厚度和支护方式

 为安全高效回采冬瓜山铜矿盘区隔离矿柱,在充分利用矿山已有巷道工程的前提下,仍需在盘区采场充填体下开挖新的出矿巷道.基于松动圈理论,利用单孔声波检测仪测量巷道围岩松动圈范围,为确定充填体下开挖巷道的顶板安全厚度、选择巷道支护方式提供依据.现场测试表明,冬瓜山铜矿-760和-790m巷道的围岩松动圈为0.8~1.3m.根据圣维南局部效应原理,结合工程技术人员的实际经验,最终确定采场充填体下新开挖出矿巷道的顶板安全厚度为4m.此外,通过松动圈测定和工程借鉴,确定新开挖巷道支护采用喷锚支护,局部破碎地方采用喷锚网联合支护,经理论计算和现场实测,总结出新开挖出矿巷道顶板锚杆长度选取2.2m、锚杆网度选取1.0m×1.0m时,能够安全经济地控制巷道松动圈.     

废石破碎胶结充填配比优选及在寒冷气候条件下的应用

为解决金英金矿外购铁矿尾砂在寒冷气候条件下充填存在充填体强度低、稳定性差以及井下产出废石大量堆积的难题,开展废石破碎用于井下充填的室内实验。研究结果表明:在充填倍线为2.0~6.0的前提下,废石充填料浆质量分数可达75%以上;当废石与尾砂的质量比为3~6时,对充填料浆流动性和充填体强度无明显影响;粒径d≤5 mm废石+压滤尾砂的充填骨料可获得最大充填体强度,充填骨料的充填体强度从大到小依次为d≤5 mm废石、d≤8 mm废石+压滤尾砂、d≤5 mm废石+铁矿尾砂、铁矿尾砂和d≤8 mm废石+铁矿尾砂;料浆质量分数是确保充填体强度和降低水泥掺量的关键,采用d≤5 mm废石+水泥充填时,料浆质量分数每提高1%,水泥掺量可降低1.2%;当养护温度由10℃提升至15℃时,充填体充填时间为7 d及28 d强度分别提高109.52%和58.46%;经现场工业试验,推荐采用的d≤5 mm废石胶结充填料浆实际质量分数为75%,水泥掺量为11%,充填能力为110 m~3/h,充填成本降低15%~18%。     

颗粒级配对粗骨料充填料浆离析的影响

基于不合理的颗粒级配是粗骨料充填料浆发生离析的重要因素,以富勒公式为基础,建立平均粒径和粒径分散系数2个级配表征参数。基于魏茅斯干涉级配理论设计11种颗粒级配,并以此进行离析实验确定粒径分散系数的合理范围,利用云南某矿固体物料进行室内验证实验。研究结果表明:以屈服应力175~225 Pa、膏体料浆粒度低于20μm颗粒质量分数为约束条件,可得当粗骨料充填料浆合理离析率为11.65%~14.53%时,其粒径分散系数K为1.43~1.45,平均粒径为1.89~2.00 mm;基于原级配的优化调整必要且有效;料浆质量分数为68%的G3和质量分数为70%的G2离析率测量值与合理离析率相比,误差分别为3.23%和5.75%,粗骨料充填料浆粒径分散系数和平均粒径的范围可靠、准确。     

基于ANSYS的二步采场分段开挖过程模拟及稳定性分析

 为确保高应力大阶段二步采场高效安全回采,采用ANSYS对二步采场分段开挖过程进行稳定性分析,得到了各分段采场顶板和充填体的应力分布规律。结果表明,采场顶板处产生的最大拉应力(0.21～0.36MPa)大于矿体的抗拉强度值(0.17MPa);充填体距离采场顶板1m位置处有最大压力(0.90～2.00MPa),接近其抗压强度值(2.00MPa);随着开采分段向上推进,采场顶板的拉应力和充填体内的压应力均有降低趋势。针对数值模拟中二步采场存在的安全隐患,提出采用预护顶中深孔下向凿岩分段充填法回采二步矿房,预护顶采用预应力树脂锚杆+钢带(金属网)+喷浆联合支护方式,并根据数值模拟中获得的松动圈半径确定了支护参数。将支护方案应用到工程试验,试验采场安全效果较好。     

高浓度粗骨料充填料浆抗离析特性及其数学模型

为研究高浓度粗骨料充填料浆的抗离析特性,对初始与临界离析状态下的粗骨料进行受力分析,提出抗离析特性决定系数。为检验该系数,以废棒比、砂灰比和料浆质量分数为影响因素,采用泌水率测试实验和料浆流变特性实验进行验证,并对实验结果拟合。基于决定系数,构建抗离析特性数学模型,采用图像法对模型预测结果进行检验。研究结果表明:决定系数与泌水率呈明显的线性关系,判定料浆离析分界点的决定系数为1,对应泌水率为10%,决定系数大于1或泌水率小于10%时料浆具备良好的抗离析特性。模型误差率基本不超过5%,满足精度要求。充填体截面骨料分布特征与模型预测抗离析结果吻合良好,模型可合理指导制备矿山充填料浆。     

底摩擦模型模拟露天转地下开挖采空区影响下边坡变形破裂响应特征及其稳定性

以云南磷化集团晋宁磷矿6号坑口东采区深部缓倾斜中厚磷矿层露天转地下开采为工程背景,利用底摩擦模型实验仪,进行了不同露天坑境界顶柱厚度边坡高度下的底摩擦模拟模型实验.结果表明:边坡的变形破坏响应特征可分为边坡岩体小范围微破裂和松动→边坡岩体局部范围失稳破坏→边坡岩体整体向采空区滑落失稳破坏三个阶段,边坡岩体变形破坏模式主要是采动边坡岩体向采空的拉裂、破断和滑移破坏.在边坡高度一定情况下,随着露天境界顶柱的厚度由30 m逐渐减小到20 m和10m,边坡的稳定性与境界顶柱的厚度呈正比关系,20～30m是露天境界顶柱比较合理的厚度.在境界顶柱的厚度一定情况下,边坡高度由60 m增大到108 m,边坡的稳定性与坡高的厚度呈反比关系,108 m边坡转入地下开采后是不稳定的.     

日喀则群沉积厚度、沉积速率及剥蚀速率

通过对日喀则弧前盆地日喀则群沉积的详细研究,对日喀则群的沉积厚度、沉积速率做了近似的计算.日喀则群现今保存下来的厚度平均为3 000 m,恢复其原始沉积厚度为4 800 m,从而计算得出沉积速率为34 cm/ka(未脱压校正值为22 cm/ka),主沉积期的沉积速率为308 cm/ka(未脱压校正);并且与其他几个白垩纪同类盆地进行对比,得出白垩纪此类盆地发育过程中,沉积速率的平均值为27.75 cm/ka.根据近似恢复的弧前盆地和剥蚀区的范围,计算得出沉积盆地沉积物充填总量最小90 750 km3,最大137 500 km3;物源区剥蚀速率最小0.1 mm/a,最大0.45 mm/a.     

基于模糊物元理论的深部开采底板突水安全性评价

基于可拓学理论和专家打分-层次分析法,利用专家打分-层次分析法确定影响底板突水各因素的权系数,选取了影响底板突水等级的12个影响因素作为评价特征,运用可拓学理论建立物元模型进行底板突水安全性评价,并结合实际工程背景,对山东华泰矿业有限公司深部315采区进行了底板突水安全性评价。结果表明,该矿深部开采区域突水等级为IV级,涌水量偏高,约为800~1 100m3/h,验证了评价方法的有效性,评价结果客观合理,具有较好的实用性。     

基于多方法联合的露天转地下境界矿柱厚度优化

以山东黄金集团归来庄金矿露天转地下工程为依托,基于理论计算、比例跨度法和相似条件类比法等多种方法进行联合分析,确定归来庄金矿露天转地下境界矿柱的最优厚度范围为6~15m.基于FLAC^3D,计算不同厚度境界矿柱条件下,地下开采对境界矿柱和边坡稳定性的影响.结果表明,当境界矿柱厚度小于10m时,地下开挖导致顶板变形量较大,且境界矿柱厚度越小,位移增量越大;当境界矿柱厚度大于10m时,地下开挖导致的顶板变形较小且趋于平稳,10m为境界矿柱厚度的最优值.     

基于人工蜂群算法优化支持向量机的 采场底板破坏深度预测

为确定合理的底板防水煤岩柱尺寸,减少底板突水安全事故的发生,利用支持向量机(SVM)与人工蜂群算法(ABCA)综合研究底板破坏深度问题。由于SVM训练参数惩罚因子C和核函数宽度g的选择对预测精度的影响显著,采用ABCA优化该训练参数的选择过程,建立基于SVM的底板破坏深度预测模型。选取采深、煤层倾角、采厚、工作面斜长、底板抗破坏能力和是否有切穿断层或破碎带作为影响底板破坏深度的主要影响指标,利用现场实测的30组数据作为样本对该模型进行训练和预测。结果表明:该预测模型的平均相对误差为12.5%,平均绝对误差为0.986m,均方误差为0.005,平方相关系数为0.980,较其他预测模型具有更强的泛化能力和更高的预测精度。     

基于分形理论的固井水泥浆体系设计

为了有效解决复杂工况下油井水泥混合料配比设计面临的难题,引入分形几何理论建立了颗粒群分形级配模型,结合激光粒度测试得到的材料粒径分布状况及分形维数的合理筛选(D=2.561),假定在小于1.68、1.68～56.23、大于56.23μm三个粒径范围内分别填充微硅、水泥和漂珠,设计出密度为1.40g/cm3的低密三元级配体系,并参照塔里木深井固井技术指标对体系水泥石力学性能(抗压、抗折和界面胶结强度)和浆体性能进行了测试.结果表明,三元体系紧密堆积效果显著,水泥石强度明显高于同密度的微硅或漂珠类二元体系,浆体失水量和析水率较低,稳定性好,稠化和流变性能均满足固井施工要求.实验结果验证了应用分形级配理论辅助设计固井水泥浆体系的可行性.     

金属矿尾砂浆压缩与剪切屈服应力的关系

膏体流变学的研究是矿业浆体流变学的热点和难点。膏体技术包括脱水、搅拌、输送、堆存(充填)4个阶段,均涉及到非牛顿流体流变特性。在脱水阶段,全尾砂的压缩屈服应力影响了尾砂浆的脱水浓度,浓度是剪切屈服应力的宏观表现,继而影响了混合搅拌和管道输送过程中浆体的剪切屈服应力。所以,压缩屈服应力和剪切屈服应力之间的关系成为了膏体充填技术领域中的关键问题。在压滤理论指导下,开展相关实验,提出了全浓度范围内床层脱水阻力和浆体输送性能表征方法,以表征全尾砂浆的可浓密性能。对全尾砂高压力作用下的可浓密性能进行测试,得到高压力下全尾砂浆体的压缩屈服应力;使用控制剪切速率法(CSR)操作桨式流变仪检测剪切屈服应力;继而得到两者之间的关系为：浆体屈服应力为剪切应力,压缩屈服应力为压缩应力;浆体的压缩屈服应力、剪切屈服应力与浓度指数均呈指数关系。并且压缩屈服应力远大于剪切屈服应力,因此剪切作用更易破坏絮团,是脱水的主要外部动力,从而解释了搅拌脱水的力学机理。     

基于灰色理论预测五阳矿未受采动影响煤层瓦斯含量

 采用邓氏关联度和广义综合关联度2种灰色关联分析方法对未受采动影响区域内煤层瓦斯含量的影响因素进行研究,并根据不同的影响因素分别建立了GM(1,7)、GM(1,6)和GM(1,5)瓦斯含量预测模型。研究结果表明,在五阳矿76、78采区未受采动影响的3#煤层中,30m底板砂泥岩比、地质构造、挥发分、灰分4个因素为影响其瓦斯含量的主要因素。由此建立的GM(1,5)模型瓦斯含量预测精度最高,可采用该模型对五阳矿76、78采区未受采动影响的3#煤层瓦斯含量进行预测。预测值能够为矿井瓦斯灾害的防治提供依据,对实现矿井的安全生产具有重要的现实意义。     

磁化处理的全尾砂料浆沉降参数优化模型

为了提高全尾砂料浆的脱水浓缩效果,将磁化处理技术引入到全尾砂料浆脱水浓缩中,并建立GA-SVM模型优选全尾砂料浆的沉降参数。建立支持向量机(SVM)沉降参数优化模型,以磁感应强度、磁化处理时间、料浆流速、料浆浓度、絮凝剂单耗为输入因子,沉降速度为综合输出因子,通过正交试验建立样本数据对SVM模型进行训练与检验,采用遗传算法(GA)对SVM模型参数进行优化,进而得到磁化全尾砂料浆沉降参数的GA-SVM优化模型。将GA-SVM模型运用到某铁矿磁化全尾砂料浆沉降参数优化中,得到的最佳沉降参数为磁感应强度0.192T、磁化处理时间1.85min、料浆速度1.92m/s、PAC单耗28g/t,沉降速度可达约155cm/h。研究表明:适宜的磁化处理条件可提高全尾砂料浆的脱水浓缩效果,节约30.0%~42.5%PAC用量,GA-SVM模型对全尾砂料浆沉降参数预测结果相对误差在5%以内、预测精度高,为全尾砂料浆脱水浓缩及其参数优选提供了一种新思路。     

采场底板"四带"划分理论在底板突水评价中的应用

基于断裂力学理论、矿山压力控制理论和开采煤层底板“四带”划分理论,推导了煤矿工作面底板破坏深度计算公式,应用突水系数法,评价了新汶矿业集团良庄煤矿51302工作面底板突水的可能性,结果表明该工作面开采13煤层产生底板突水的可能性很大。