矸石膏体充填采场覆岩空间结构演变规律

矸石膏体充填技术可用于"三下"开采和回收条带煤柱,是绿色开采体系中的重要内容之一,为研究矸石膏体充填采场覆岩运动的问题,本文采用力学分析、相似材料模拟和现场监测的方法,研究了矸石膏体充填采场覆岩空间结构的演变规律.结果表明:矸石膏体充填采场覆岩存在三种结构,第一种结构为直接顶和基本顶均弯曲下沉型,第二种结构为直接顶断裂、基本顶弯曲下沉型,第三种结构为直接顶和基本顶均断裂型.相似材料模拟和现场实测还表明矸石膏体充填采场以第一种覆岩结构居多,第二种覆岩结构多发生在采空区封闭空间出现连续的漏浆事故之后,基本不存在第三种覆岩结构.该成果对矸石膏体充填采场覆岩运动具有一定的参考价值和指导意义.     

孤岛煤柱膏体充填开采覆岩运动规律研究

为研究孤岛煤柱膏体充填开采覆岩运动规律,对岱庄煤矿2351膏体充填工作面支架压力进行了实际观测和分析。由于周围工作面回采结束时间较长,采空区内覆岩跨落后已经基本稳定。该工作面充填开采顶板初次来压步距为33.6 m,监测到的前4次周期来压步距分别为18.3、8.8、13.79、m。膏体充填条带煤柱开采采场与覆岩结构的特殊性决定了第一个周期来压步距相对较大。由于三面采空,虽然采用膏体充填采空区支撑上覆岩层,工作面顶板及其上覆岩层的断裂和下沉仍然十分显著。充填膏体的支撑作用使采场宏观矿压显现不明显,但三面的采空导致支架上的工作阻力较大,在推采停顿时间较长时矿压显现尤为明显。     

基于连续-离散介质耦合的密实充填开采地表沉陷预测模型

为构建固体密实充填开采地表沉陷预测模型,首先结合现场钻孔窥视及相似材料模拟分析固体密实充填开采的覆岩变形特征;随后采用Winkler和Vlazov两类弹性地基梁建立基本顶力学模型,得到基本顶弯曲下沉方程;将基本顶的弯曲下沉视为上覆岩层沉降的边界条件,基于离散介质运移规律推导出固体密实充填开采的地表沉陷预测模型。最后将预测模型应用于花园煤矿,得到的下沉量预测值与实测值基本吻合,证实了模型的准确性。     

采场厚硬覆岩沿空巷旁充填体动静载荷分析

为了解决厚硬覆岩下沿空留巷侧向爆破断顶施工难度大、工艺复杂的问题,研究充填体在动静载荷下适应性,拟采用巷旁充填柔性材料(矸石)实现留巷.通过刚、柔性约束矸石体试验,分析了不同粒径及横向支护应力对其承载力的影响,掌握了袋装矸石单轴压缩应力应变关系;基于建立的沿空巷旁侧向覆岩结构模型,得到了充填体动静载荷计算方法.研究结果表明:巷旁充填矸石能适应侧向悬顶旋转断裂产生的动静载荷,且施工简单,对厚硬及其类似覆岩下沿空留巷支护设计的确定提供了科学依据.     

采空区充填控制覆岩沉降相似模拟

采用相似材料模拟实验方法,对采空区充填控制地表沉陷相似材料模拟实验,模拟工作面采空区充填控制地表及覆岩移动,采用3种不同强度充填材料充填开采推进过程中工作面采空区,观测地表及覆岩移动规律.得到了充填开采条件下地表及覆岩的移动规律,充填材料的强度与地表下沉系数的关系,采空区充填的空间与充填时间的关系,为解决采空区充填开采提供了科学依据.     

综放工作面岩层控制

在大量现场实测、相似模拟、数据模拟及理论分析的基础上,提出了“砌体梁”与“半拱”式结构相结合而构成综放采场覆岩结构的基本形式。考虑到直接顶、顶煤的变形破坏特性以及小结构的影响,建立了综放采场围岩结构模型,可对综放开采的矿山压力现象合理的解释,并为支架的选型设计和矿山压力控制提供了依据。     

膏体充填体多场性能的实验研究与数值模拟:回顾与展望

膏体充填技术是一种用于治理地下采空区和尾矿库的绿色采矿方法。膏体充填体在采场中的固化过程是热–水–力–化学多场性能共同作用的结果。目前,对膏体充填体多场性能的研究主要包括室内相似模拟实验、现场多场性能监测实验、多场性能耦合模型构建、多场性能数值模拟。由于难以在真实采场中研究膏体充填体的原位多场性能,目前针对膏体充填体的原位多场性能的研究大多采用数值模拟方法。通过对真实采场中的膏体充填体的不同条件(例如,养护环境、采场几何形状、排水条件以及有无充填挡墙和充填速率等因素)进行模拟,进一步研究膏体充填体的原位多场性能。本文总结了开展膏体充填体多场性能数值模拟所采用的数学模型,并列举了数值模拟在原位膏体充填体多场性能演化的工程应用实例。最后提出膏体充填体多场性能需要加强相关理论研究,形成基于膏体充填体的强度设计准则,开展膏体充填体多场性能的全域数值模拟,开发基于膏体充填体多场性能演化的安全预警技术,开发膏体充填体多场性能监测技术和监测设备的自动化和无线化,实现膏体充填体多场性能监测技术的应用和推广。     

基于数值模拟的综放工作面覆岩活动规律分析

为研究昌恒煤矿9101综放工作面覆岩活动规律,首先运用数值模拟方法分析了基本顶初次来压及周期来压期间岩移特征,结果显示该工作面直接顶垮落前形成桥式半拱结构及基本顶断裂时形成砌体梁结构,并且分析了采场超前支承压力分布规律。另外计算了初次来压前后直接顶与基本顶的厚度,并对基本顶来压期间结构特征简要分析,据此计算出放顶煤支架合理的支护强度。     

急倾斜煤层不同覆岩结构导水裂隙演化规律

基于龙湖煤矿南二采区急倾斜煤层的赋存和水文地质条件,采用离散元数值计算方法,分析了覆岩结构组合对急倾斜煤层开采导水裂隙演化规律的影响。结果表明:急倾斜煤层采场上覆岩层无关键层及覆岩结构组合为隔水-结构关键层时,导水裂隙分布呈"耳型"特征;采场上覆岩层存在结构关键层,直接顶为坚硬岩层和软弱的隔水关键层时,导水裂隙以平行于层面的离层裂隙为主;急倾斜煤层开采不同覆岩结构组合,导水裂隙发育高度均随煤层采厚的增加呈增大趋势,裂采比呈降低趋势。现场依据导水裂隙分布特征,设计了合理的防水煤柱尺寸和矸石充填注浆胶结顶板控制技术,确保了水体下急倾斜煤层的安全回采。     

长壁工作面顶板受力、运动及破坏规律的研究

本文以现场实际条件为基础进行了相似模拟实验,根据薄板理论建立了采场覆岩层间应力分析公式。证明了采场覆岩以坚硬的厚岩层为底层分组一致下沉,岩层组间出现离层和应力消失;以老顶为主体的裂隙带最下一岩层组的断裂长度决定采场的来压步距(可用新的理论公式来预计);前支承压力的形成与覆岩运动有密切关系且具有一定极限。     

放顶煤采煤法覆岩运动规律初探

本文用相似材料模拟,现场实测等方法研究放顶煤开采覆岩活动规律。阐述了对采场矿压有明显影响的顶板构成及各自运动特点;提出了简单实用的顶板静压计算模型与方法。     

覆沙层下大采高工作面覆岩运移规律

大采高开采的方法是提高煤炭资源回收、实现矿井高产高效的重要发展方向,但也造成工作面覆岩破坏严重。为此,文中以宁东煤田赋存的覆沙层下特厚煤层为背景开展大采全高工作面覆岩运移研究,运用相似模拟的方法并综合多种监测仪器从模拟现象、力源两个角度对大采高工作面覆岩运移、下沉乃至垮落的特征进行了全程监测与分析。研究表明:大采高工作面覆岩垮落初次来压步距较大,支架带压移架后极易发生直接顶乃至老顶的突然垮落,工作面来压强烈、伴随有明显的支架动载现象;延伸至地表的裂隙有诱发地表覆沙层弯曲、有溃入工作面的可能;模型开采结束后形成了6条贯穿至地表且与工作面推进方向成60°的垮落裂缝;模型内部各岩层下沉范围随着工作面的推进而不断扩大,呈U字型下沉趋势。     

采空区覆岩运动规律相似材料模拟试验研究

以山东某矿的煤层开采为研究背景,为研究其采空区上覆岩层的垮落形态及沉降变形,结合实际岩层的物理力学性质,设计相似材料模拟试验,描述试验模型采空区上覆岩层的垮落和破坏特征,并通过布置下沉测点来观测其覆岩的沉降变形,最后利用flac3d建立数值模型加以校验,结果表明:采空区上覆岩层在煤岩开采后,形成"三带"结构,自下而上分别为冒落带,裂隙带和弯曲下沉带;试验模型采空区上覆测点的下沉曲线呈近似对称的凹曲线,这与数值模拟结果相一致;相似材料模拟试验和数值模拟都能够较好反映采空区覆岩下沉变形规律;试验结果与数值模拟结果合理有效,可以为研究覆岩沉降相关问题提供试验参考。     

基于覆岩破断特征的极薄煤层工作面支架工作阻力确定

延安子长矿区极薄煤层分布广泛,因赋存煤炭为稀缺配焦煤,回采价值较高,但该矿区未有过开采极薄煤层的先例,开采过程中面临支架选型不合理的问题,且国内在该方面的研究成果较少,因此,以禾草沟二号煤矿极薄煤层综采工作面为背景,通过数值模拟、理论分析等研究了极薄煤层综采工作面顶板覆岩结构破断特征及其演化过程,建立了采场顶板岩梁断裂前后力学解析模型,获得了极薄煤层综采工作面直接顶周期破断距,确定了合理支架工作阻力。结果表明：极薄煤层工作面开采初期顶板垮落后会较快的对上覆岩层形成支撑,至顶板极限跨距后,直接顶与基本顶周期破断,且基本顶破断位置位于直接顶破断线前方,两者间存在离层空间,共同回转下沉;工作面液压支架主要受直接顶回转载荷作用,其作用载荷为3 980.89 kN,确定支架选型为ZZ4000/6.5/13D四柱支撑掩护式液压支架;现场应用后,可以有效发挥支架支护性能,满足采场围岩控制要求。研究成果为国内极薄煤层开采工作面支架选型提供了一定的参考。     

榆神府矿区覆岩协调沉降开采技术

为研究协调沉降开采中覆盖层的运动破坏规律和导水裂隙发展规律,确定榆神府覆岩协调沉降开采参数,采用相似材料模拟实验研究和煤柱稳定性理论进行分析.模拟实验表明,在覆岩协调沉降开采中,充填煤柱的逐渐失稳使采空区上覆岩层产生协调沉降运动,上覆岩土层进入裂隙带或弯曲下沉带,阻止了导水裂隙带的发展,保护了隔水层的稳定.理论分析表明,所确定的充填煤柱能够适时失稳,支撑煤柱能够保持永久稳定,到达了覆岩破坏协调沉降目的.现场开采实践证明开采参数确定合理.     

综采采场顶板结构模型及“支架-围岩”关系研究

以综采采场上覆岩层运动规律为核心,运用"传递岩梁"理论对采场顶板运动参数进行预计算,建立了采场顶板结构模型,详细分析了支架在"给定变形"和"限定变形"两种工作状态下支护强度和活柱缩量的计算确定方法。研究结果表明:直接顶由多分层组成时,具有不同运动组合特性的各分层垮落步距不同。将对采场矿压显现有明显影响的基本顶岩梁分为"单一岩梁"和"双岩梁"结构。采场顶板控制设计中对直接顶采用"给定载荷"的工作方式,根据不同的控顶要求对基本顶采用"给定变形"或"限定变形"的工作方式。在基本顶"双岩梁"结构下,既要防止下位岩梁运动时的切顶、活柱缩量超限等威胁,又要防止上位岩梁来压时对采场的动压冲击。     

采矿工程中相似模拟试验研究现状及发展趋势

相似模拟试验是采矿工程中研究覆岩运动特征的重要手段.本文结合已有成果对相似模拟试验在采场覆岩运动研究中应用进行了分析总结.研究指出:尽管相似模拟试验结合应力、位移等监测手段能较好对采场覆岩运动情况进行反映,但存在一定不足,并从试验材料、试验方法、地质构造模拟、观测手段等方面对存在问题进行了分析,在此基础上探讨了相似模拟...     

条带充填开采隔水岩组与充填条带运移规律研究

浅部煤层开采诱发地表生态恶化,采取条带充填是控制潜水流失的根本途径之一,为了设计出合理的充填参数,以榆神府浅埋煤层特殊保水开采区地质条件为研究背景,配制出了砂基膏体充填材料,测试了砂基膏体充填材料和粘土层的基本力学参数,开发了砂基膏体充填材料和粘土层的相似材料,相似材料基本实现了全应力应变相似,并在此基础上开展了多组走向长壁条带充填开采的物理相似模拟实验,得出了不同充填间隔宽度和充填条带宽度对"上行裂隙"与"下行裂隙"发育高度的影响规律,获得了不同充填间隔宽度和充填条带高宽比对隔水岩组运移的影响规律,为条带充填开采提供了技术支撑。     

采动过程中覆岩破碎区碎胀性走向分布特征

为了探究采动过程中覆岩破碎区碎胀性在走向分布规律,采用UDEC数值模拟及相似模拟手段分析了煤层顶板运移规律及碎胀系数分布特征。结果表明：随着采空区上覆岩层空间结构发展的演化,煤层顶板下沉量由下至上逐层降低,并最终趋于稳定;在工作面推进方向上,碎胀系数不断降低,且呈现出一定的分区特性,随回采呈现动态变化的周期性前移,其在走向上划分为三个区域,即：自然堆积区、载荷影响区、逐渐压实区。最后,确定浆体充填滞后距离为60m,现场试验邻位注浆充填效果良好。     

煤矿膏体充填材料配比试验研究

根据膏体充填工艺及上覆岩层控制理论,提出了膏体需具有自稳能力和强度,还应具有良好的可泵性,其性能受矸石级配、细粉料、胶结料、质量浓度等多种因素的影响。以五亩冲煤矿膏体充填为例,通过正交试验系统研究了膏体充填材料的配比,通过环管试验研究了膏体在管道中的沿程阻力。试验结果表明:膏体质量浓度为79%,水泥、生石灰、矸石的质量比为1∶3∶7时,制成的膏体在技术上和经济上均能满足五亩冲煤矿充填需要。