大采高过联巷空顶-煤柱-支架耦合承载与控制分析

大采高工作面过空巷覆岩运动复杂,空巷极易变形失稳,严重影响工作面推进速度。通过对大采高工作面过空巷围岩变形破坏特征及失稳原因分析,探讨工作面过空巷顶板稳定性影响因素,建立大采高工作面过联巷空顶-煤柱-支架耦合承载力学模型,确定大采高工作面过联巷煤基充填体强度、变形与最佳水灰比,提出大采高工作面过联巷空巷围岩控制技术,并进行现场工业性试验。结果表明：工作面过空巷表现为顶板大面积下沉、两帮垂直劈裂脱落,采动应力、浅埋薄基岩切落、支护作用失效与棚架非均匀受力是空巷失稳的主要原因;工作面过空巷顶板稳定性与空巷支护阻力、煤柱承载载荷及支架载荷密切相关,煤柱承载能力与煤柱宽度呈线性关系,确定空巷顶板最小支护强度为3.346 9 MPa。随着膏浆体(15%水泥)水灰比增加,膏浆体流动度、析水率、初终凝时间呈增加的趋势;单轴抗压强度与峰值应变整体表现为减小的趋势,且线性特征明显。水灰比0.6(10 d)为最佳膏浆体,单轴抗压强度为1.10 MPa,峰值应变为1.088%。随着时间增加,膏浆体强度在30 d达到3.7 MPa,提前充填有利于空巷稳定。采用空巷挑顶扩巷-锚索补强与膏浆体柔性充填技术方案后,...     

深井孤岛煤柱工作面沿空留巷支护技术研究

以车集煤矿深井孤岛煤柱工作面为工程背景，探究深井高应力孤岛煤柱工作面沿空留巷充填体—围岩变形机理；构建沿空留巷围岩力学结构模型，计算出沿空留巷支护所需充填体的宽度及强度，并通过FLAC^3D软件模拟、现场监测验证了充填体宽度和强度的合理性。研究结果表明：孤岛煤柱工作面沿空留巷采用高水充填材料巷旁充填技术，以充填袋成形方式进行充填，可使充填体有效接顶；采用“锚杆锚索联合支护+巷旁充填体”方式进行煤柱中巷支护时，合理的充填体宽度为4.0 m,应力达到8.0 MPa时巷道变形趋于稳定。现场监测结果表明：23下工作面开采30 d内，煤柱中巷最大顶板下沉量不超过50 mm,充填体帮部变形不超过40 mm;回采结束后30 d内，顶板下沉量不超过20 mm,充填体帮部变形量最大为348 mm,煤帮变形量较小，最大处为150 mm,沿空留巷效果良好。     

切顶条件下“煤柱-充填体”协同承载性能及巷道稳定性分析

为了分析在切顶条件下不同“煤柱-充填体”支护对巷道围岩稳定性的影响，以某矿1226综采工作面运输巷为研究背景，通过理论分析与数值模拟相结合的方法，对切顶条件下应力转移过程和不同“煤柱-充填体”支护时垂直应力变化规律展开研究。研究结果表明：“煤柱-充填体”支护条件下，切顶时运输巷实体煤侧巷帮的垂直应力相对于未切顶时降低了9.5%,护巷煤柱侧巷帮的垂直应力降低了45%,运输巷两帮水平变形和巷旁支护压缩变形分别降低了21%和30.8%,即利用切顶卸压技术可以实现运输巷围岩应力及变形的双重优化，有利于运输巷围岩的长期稳定；巷旁支护垂直应力是影响巷道围岩稳定的主控因素，巷旁支护垂直应力平均降低速率随着充填强度的增加呈线性增加趋势，最大为5.8%,巷旁支护垂直应力平均降低速率随着煤柱宽度的增大呈先增后降趋势，最大为13.6%;根据“煤柱-充填体”协同承载性能变化对巷旁支护垂直应力的影响规律，拟合了不同煤柱宽度和充填体强度与巷旁支护垂直应力之间的函数关系式。在切顶条件下，留设护巷煤柱宽度为7.5 m、充填体强度为6.5 MPa时，对巷道围岩稳定的控制效果较好。     

条带充填坚硬顶板与充填体组合系统力学特性试验研究

为研究条带充填坚硬顶板-充填体组合系统的力学特性,进行了粗砂岩-充填体组合体试样单轴压缩试验,结合组合体试样压缩破坏力学模型(将粗砂岩抽象为弹簧体),研究了其强度及破坏特征。结果表明:组合体试样的单轴抗压强度、弹性模量和峰值应变均大于单一充填体试样而小于单一粗砂岩试样;组合体试样的整体强度不仅仅是由其内部充填体强度决定的,更重要的是受到粗砂岩与充填体相互作用的影响,粗砂岩压缩变形减小了轴向应力对主要承载体-充填体的损伤作用,相当于提升了其强度,从而增大了组合体试样的整体强度,较充填体强度增大了38.27%;粗砂岩回弹变形加剧了充填体进一步破裂和破坏,在一定程度上削弱了其强度,进而降低了组合体试样的整体强度,但在回弹变形前粗砂岩已发生压缩变形而适应了轴向应力的增加,因此该强度削弱作用是有限的;组合体试样的破坏主要发生在充填体内,主要以张拉破坏为主,伴随着局部剪切和剥落破坏,而粗砂岩未发现明显破坏。     

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。     

综放巷内预充填无煤柱掘巷围岩变形特征与控制

巷内预充填无煤柱护巷技术是在上工作面平巷内紧靠非截割帮预先构筑充填体墙,本工作面掘平巷时沿充填体掘巷,实现无煤柱开采。采用FLAC3D对综放巷内预充填无煤柱掘巷围岩的变形与破坏特征进行数值模拟,结果表明该巷道变形呈现非均匀性,并进一步对巷道围岩进行不稳定分区:巷道浅部顶板"拉破坏区",顶煤、基本顶与直接顶的分层处"剪切错动离层区",充填体帮肩角"压剪切落区",实体煤帮"高应力压剪区"。在此基础上提出"分区非匀称支护"技术体系,即以高强高预应力让压锚杆和倾斜锚索为支护主体,且将锚索整体向充填体偏移,从而使巷道变形协调。研究结果在潞安集团常村煤矿进行井下试验与应用,有效控制了无煤柱掘巷围岩的变形。     

深井超高水充填工作面小煤柱稳定性规律及控制技术

为了探究充填工作面合理煤柱尺寸,以山东义能煤矿为工程背景,构建了"充填体-煤柱-充填体"结构力学模型;通过研究不同煤柱尺寸内部破坏状况确定损伤程度,提出了煤柱承载分尺寸分区分级特征;利用UDEC软件模拟分析了10、6、3、1 m宽度煤柱的竖向应力大小、塑性区发育及变形特征。结果表明:随煤柱宽度减小,竖向应力递减最小至16.5 MPa,塑性区范围不断增大,煤柱变形不断增大。按照煤柱应力与变形特征"象限法"探究了不同宽度煤柱稳定性,并结合安全、经济等因素,确定了超高水充填开采条件下小煤柱合理宽度为3 m;提出通过锚杆锚网联合支护及煤柱注浆封堵技术控制煤柱稳定性,设计了注浆流程、材料、时机、压力等参数,为深井充填工作面安全高效开采提供有效保障。     

综放工作面膏体充填条带开采研究

为解决"三下"压煤的煤炭资源浪费问题,结合某矿生产实践,设计膏体充填条带开采。首先分析条带充填开采的可行性,即滞留条带煤柱宽度大于安全开采宽度;其次计算充填体载荷,得出充填体容许载荷为2 MPa,最大危险载荷为17.4 MPa;最后进行膏体配比及强度试验,试验得出:膏体胶结料作为胶凝材料时膏体的强度比用普通水泥的充填体强度高,在28 d时的强度是后者的2.09倍,且弹性变形能力更强,保证了充填效果。监测实践表明,充填开采期间,地表沉降量仅为115 mm,既减小开采对地表沉陷的影响,又提高资源利用率。     

回收大巷煤柱工作面过空巷围岩破坏机理和控制技术

为解决回收大巷煤柱条件下综采工作面过空巷时,易造成压架、工作面中部大面积冒顶和煤壁稳定性的问题,以鄂尔多斯纳林庙二号矿井6^-2116综采工作面过8号联巷为工程背景,采用理论分析、FLAC^3D数值模拟、现场工程实测相结合的多重手段分析了6^-2116综采工作面围岩破坏机理;基于理论分析,确定了充填体强度应大于5.17 MPa,能够保证工作面顺利通过联巷,充填体可以维护空巷围岩的稳定性;通过FLAC^3D数值模拟,确定了充填体强度10.5 MPa最为合适;经过现场工业性试验综合对比了煤粉-水泥填充木垛接顶、高水速凝材料填充、锚索+工字钢棚支护等方法对围岩控制的优劣性,最终确定以煤粉-水泥充填木垛接顶的支护方式,这种方法支护效果与高水速凝材料强度基本一致,能够最大限度地节约充填支护的成本,同时也能够减少顶板中部的下沉量,大巷与联巷交叉处煤壁帮部也保持了稳定,能够有效保证综采工作面正常推进。     

粉煤灰膏体充填置换条带煤柱强度研究

针对过去"三下"开采遗留的大量保护煤柱,因地制宜地提出了粉煤灰充填体整体置换回采条带煤柱的方法。依据采场上方"裂断拱"时空演化规律并结合裂断拱内岩石自重计算充填条带初期强度应大于0.49MPa,后期强度应大于4.42MPa。为了获得充填体的最优配比,设计了正交试验,分析了石灰含量、石膏含量和水泥含量对不同龄期强度的影响程度。结果表明:水泥含量是影响膏体前期1,3,7d抗压强度的主要因素;石灰含量是影响膏体后期28d抗压强度的主要因素。综合多种因素考虑,最终选择粉煤灰∶生石灰∶石膏∶水泥为68%∶15%∶12%∶5%的配比为最优配比。     

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。     

高水材料充填置换开采承压水上条带煤柱的理论研究

针对山东埠村煤矿911采区开采条件,提出了利用高水材料充填方法对承压含水层上已经开采的条带煤柱进行二次置换开采的技术思路。从充填体稳定性以及置换充填开采对底板破坏的影响等方面分析了其技术可行性,确定了采区高水材料充填置换开采承压水上条带煤柱的合理方案,即首先对条带老采空区（平均采宽15 m）进行充填,待其充填体强度达2.2 MPa后对条带煤柱（平均留宽20 m）进行回收,回收过程中每间隔一个条带煤柱进行一次充填,该方案共需要充填体体积占采区采出煤层体积的65.6%。     

安庆铜矿分级尾砂胶凝材料配比试验及应用研究

根据安庆铜矿的充填胶凝材料选择和充填料配比参数设计,开展了分级尾砂新型胶凝材料胶结充填体和水泥胶结充填体的强度对比试验。结果表明:在灰砂比为1∶10、质量浓度为70%、28 d养护龄期的条件下,新型胶凝材料胶结试块抗压强度是水泥胶结试块的1.9倍。通过数值模拟方法,计算典型一步骤采场充填体的实际强度需求为1.525 MPa,并在此基础上推荐充填浓度不低于70%,新型胶凝材料与分级尾砂比为1∶10进行工业充填试验。采场充填体现场取样测试结果表明,新型胶凝材料充填体试样平均抗压强度为2.01 MPa,满足矿山对充填强度和充填质量的要求,胶凝材料用量降低了21.8%,从而节约了充填成本。     

残采工作面过空区相似模拟研究

以圣华煤业3#煤层残煤复采工作面过6 m空区为工程背景,通过建立空区顶板关键块的力学模型,运用1∶30比例的物理相似模拟实验,对比研究随着工作面推进,空区内有无充填体两侧煤体应力和围岩的破坏情况。研究表明:通过老顶力学模型算出空区充填体的支护强度为3.82MPa。充填过空区基本顶初次垮落步距由30 m减少到24m。充填区距工作面8m时煤柱弹性核区宽度约为5 m,煤柱塑性破坏由4 m减小到1 m,充填体内产生最大应力为3.96 MPa。     

充填墙提升煤柱性能机理与数值模拟研究

在对条带煤柱破坏失稳过程和规律分析的基础上,研究了充填墙加固煤柱以提升其性能机理,对低强度膏体和高强度矸石混凝土充填墙提升煤柱性能进行了模拟及分析。结果表明:充填墙加固作用主要体现在对煤柱侧向约束和分担煤柱承载载荷上,充填墙自身强度和对煤柱的侧向约束须满足一定条件才能保证煤柱性能提升效果;充填墙主要限制了煤柱塑性破坏区煤体横向变形并使其承载能力增加而宽度减小;充填墙分担煤柱承载载荷,煤柱整体支承压力都有所降低;高强度矸石混凝土充填墙提升煤柱性能效果优于低强度膏体充填墙,相同宽度下可以分担更多煤柱承载载荷、更有效地限制煤柱横向变形并提供足够的侧向约束力;在模拟地质采矿条件下当矸石混凝土充填墙宽度3 m时为最佳,煤柱性能得到显著提升,又不至过大增加成本,煤柱整体应力分布趋于平缓、均匀,横向变形较小,3 m宽矸石混凝土充填墙可等效7.93 m宽煤柱,煤柱尺寸可减小15.86 m,煤炭采出率可提高17.62%。     

多次冲击下掺膨润土胶结充填体力学特性试验研究

采用SHPB杆对4组12个胶结充填体试样进行多次冲击试验,分析了同一冲击速度下掺膨润土胶结充填体多次冲击的应力应变曲线、动载强度、吸收能及变形破坏特征。结果表明,多次冲击后,未掺入膨润土充填体应力应变曲线出现显著下跌,掺入膨润土后充填体应力应变曲线逐级下降;膨润土掺量5%和10%的胶结充填体多次冲击比首次冲击先达到峰值应变,且出现动态强度软化;膨润土掺量15%时充填体首次冲击峰值应变出现在0.002附近,多次冲击峰值应变约0.003;充填体抗冲击次数随膨润土掺量增加呈先降后增趋势,动态抗压强度增强因子、动态抗压强度、吸收能、单位体积应变能与冲击次数呈负相关,其中掺膨润土充填体动态抗压强度增强因子均大于未掺膨润土充填体;试样最终破坏类型表现为轴向张拉破坏,掺入膨润土提高了充填体破碎整体性。     

大采深综采工作面充填留巷围岩稳定性关键技术研究

为解决大采深综采工作面无煤柱沿空留巷围岩稳定性问题,通过对充填体切断和支护顶板动力学过程进行理论分析,得出了充填体抗压强度22 MPa条件下,宽度不小于2.4 m;采用FLAC3D数值模拟,对不同厚度及不同强度充填体下巷道顶板下沉量和围岩塑性区变化规律进行了研究,得出了充填体厚度为2.5 m、强度为22 MPa时顶板下沉量达到工程需求,并提出了沿空留巷超前区、待充填区和滞后区分段支护技术,为类似地质条件矿井中该技术的应用提供借鉴。     

神东矿区山砂基膏体充填材料配比优化试验

为制备成本低廉、配比合理和稳定优越的膏体充填材料，以山砂作为骨料，水泥和粉煤灰作为胶凝材料，分别对充填材料的物理力学性质、化学成分、膏体流动性、速凝特性和配比进行系统研究。结果表明：神东矿区山砂颗粒粒度中等偏细，SiO₂含量较高，有利于提高充填体强度；粉煤灰颗粒超细，具备部分活性，是良好的添加辅料；山砂基膏体的推荐质量浓度为水泥∶粉煤灰∶山砂=1∶2∶6、1∶2∶10、1∶4∶15、1∶4∶20时，质量浓度分别为83%、84.5%、84%、84.5%；水泥∶粉煤灰∶山砂=1∶4∶15时，3 d龄期抗压强度为1.44 MPa,28 d龄期抗压强度可达8.88 MPa，而配比为1∶4∶20时，膏体充填体强度略有降低；充填体的早期强度较高，能够满足充填技术要求。     

充填回收房式煤柱围岩变形控制机理

分析垮落法和充填法回收房式煤柱围岩变形特征,得出采用充填法回收煤柱可以更好地控制围岩变形。分析影响回收煤柱围岩稳定性的6个主要因素,得出采空区充采体积比、充填物料抗压特性、工作面液压支架支护强度是可控关键因素,通过优化设备参数、提高采充工艺水平、对充填物料进行初始压实、选择抗压特性高的充填物料、增加液压支架支护强度等方式进行煤柱围岩稳定性控制。     

大采高工作面合理煤柱尺寸留设研究

针对寺河矿采掘衔接紧张、采区煤柱损失大的问题,通过数值模拟、煤柱受力分析及煤柱强度测试,开展了大采高工作面合理煤柱尺寸留设研究,结果表明:煤柱宽为35 m时,巷道围岩变形量小,受压小,为较合理的煤柱尺寸;对煤柱强度进行测试可得,W13012巷和W13013巷之间煤柱煤体强度值大部分集中在10~20 MPa,煤体强度平均为16.05 MPa,煤体中等硬度,煤柱浅部强度值普遍小于深部强度值;对煤柱受力进行分析,在受超前压力影响期间,距巷道表面较近的煤体逐渐被压裂破坏,而经过煤柱的峰值点后,煤柱在受超前压力期间和滞后压力期间受力基本恒定,煤柱应力只有一个峰值且峰值位置右侧1 m范围内应力均达到自身极大值,说明在此支护强度下此煤柱宽度的4倍宽度是极限的煤柱宽度。