深部矿体胶结充填开采沉陷规律模拟分析

就深部矿体胶结充填开采覆岩的沉陷规律,结合具体的工程实例并对其影响因素进行分析,利用有限元分析软件ANSYS进行了数值模拟.结果表明:充填体能有效控制覆岩的变形,覆岩及地表的变形很微弱,覆岩层中没有出现明显的大面积裂缝带,而以整体的弯曲为其主要特征,弯曲带内岩层的移动过程是连续而有规律的.通过分析和比较后,初步揭示了深、浅部沉陷规律的差异.     

煤矿井下高浓度胶结充填开采地表沉陷预计

为对煤矿井下高浓度胶结充填开采地表沉陷进行预计,运用"等价采高"的概念,建立充填开采等价采高模型,得出了充填开采地表沉陷最大值计算公式;采用FLAC3D数值模拟软件对充填开采地表沉陷情况进行模拟,应用数学回归分析数值计算结果探究了充填开采地表下沉系数和等价采高的关系,最终确定高浓度胶结充填开采地表下沉系数与等价采高近似成数学常数e的指数函数关系;结合现场工程实践,计算得出在特定条件下新阳矿充填开采地表下沉系数为0.11,地表沉陷预计最大值为72.6 mm,与其他采用充填开采技术工作面的地表沉陷实测结果基本一致.     

粉煤灰基胶结材料袋式条带充填开采实验

为了防控采空区覆岩地表移动,解放"三下"压煤,利用新型粉煤灰基胶结材料,在七台河桃山矿93#煤层采空区进行了工业实验。通过制浆系统制得充填浆料后用管路输送到采空区充填袋,待材料硬化充填体有自立能力后撤掉支柱及模板,大量充填袋形成充填条带后替代保护煤柱。该方法在桃山矿充填开采实验后,结果表明:粉煤灰基胶结材料形成充填体后,早期强度增长迅速,煤炭采出率提高40%,实现顶板无破断、地表微沉陷的效果。     

煤矿井下高浓度胶结充填开采地表沉陷预计

为对煤矿井下高浓度胶结充填开采地表沉陷进行预计,运用等价采高的概念,建立了充填开采等价采高模型,得出了充填开采地表沉陷最大值计算公式;采用FLAC3D数值模拟软件对充填开采地表沉陷情况进行模拟,应用数学回归分析数值计算结果探究了充填开采地表下沉系数和等价采高的关系,最终确定高浓度胶结充填开采地表下沉系数与等价采高近似成数学常数的指数函数关系;结合现场工程实践,计算得出在特定条件下新阳矿充填开采地表下沉系数为0.11,地表沉陷预计最大值为72.6 mm,与其他采用充填开采技术工作面的地表沉陷实测结果基本一致.     

“三废”胶结材料在建筑物下的充填开采实验

为有效控制采空区顶板下沉、安全回收工业广场下压煤,利用“三废”胶结充填材料,在八宝立井＋321区N4煤层工作面采空区进行了现场充填实验,分析了“三废”胶结充填材料的构成与性能及影响充填体强度的因素,对充填工艺进行了合理的布置,对充填体进行了跟踪观测。结果表明：该“三废”胶结材料制成的充填体可以实现主动接顶,使采空区顶板得到了有效控制。该研究为工业广场下压煤的安全回收提供了技术保障。     

尾砂胶结充填体损伤软-硬化本构模型

针对灰砂比分别为1∶4,1∶8和1∶10的尾砂胶结充填体进行了力学试验,得出了其在单轴压缩条件下的物理力学特性。根据统计损伤理论,在材料微元强度服从Weibull分布规律的基础上,引入有效损伤率参数来表征损伤材料的承载能力,建立尾砂胶结充填体在单轴压缩条件下的损伤软-硬化本构模型。经对比验算,尾砂胶结充填体损伤软-硬化模型与实验结果相吻合。该模型在体现尾砂胶结充填体损伤随机性、应变软化过程的同时,反映了尾砂胶结充填体峰后应变硬化过程及规律,为充填体强度设计提供了依据。     

连续级配胶结充填体力学特性及声发射特征

基于程潮铁矿尾砂胶结充填背景,配制7组不同Talbol指数n的连续级配胶结充填体试样,开展了单轴压缩胶结充填体声发射(AE)监测试验,获取了胶结充填体强度及声发射特征参数.研究结果表明:连续级配胶结充填体的强度随n的增大呈震荡上升,达到最大值后骤然下降,当n=0.5时,连续级配胶结充填体强度最优,连续级配胶结充填体试样...     

粉煤灰在下向分层胶结充填采矿中的应用试验

针对粉煤灰替代水泥的充填体强度普遍偏低和充填体脆性增大,对安全生产带来安全隐患的问题.采用粉煤灰替代水泥的胶结充填配比试验.研究结果表明:粉煤灰替代水泥的充填料浆流动性好,有利于充填料浆管道输送.但充填体强度随着粉煤灰替代量增加而降低,对于早期强度尤为突出根据金川镍矿下向进路式采矿对充填体强度要求,确定了粉煤灰最高掺入质量分数为13%.同时还对掺入粉煤灰的水泥特性和技术标准开展研究,制定掺粉煤灰水泥的技术标准,为粉煤灰在金川镍矿的安全、高效和经济的心用奠定基础.     

全尾砂胶结充填体的强度敏感性及破坏机制

以大冶铁矿全尾砂为原材料,采用水泥为胶结材料制作全尾砂胶结充填体,采用单因素五水平设计试验,研究了全尾砂胶结充填体强度与料浆中固相质量分数、灰砂配比及龄期之间的关系,并对敏感性进行了分析.胶结充填体强度随着料浆中固相质量分数的增加遵循指数函数增长,随灰砂配比的增加呈线性增长,随龄期增加遵循指数函数的增长,其中胶结充填体强度对龄期的敏感性最高,料浆中固相质量分数次之,灰砂配比最弱.胶结充填体抗压破坏试验结果显示,充填体的破坏经历了四个阶段,分别为微裂隙闭合阶段、线弹性阶段、微裂纹扩展阶段及裂纹贯通破坏阶段.     

基于可靠度理论的下向进路胶结充填技术分析

为探索下向进路胶结充填采矿法充填技术经济分析的科学方法，通过建立下向进路力学模型求出承载层应力分布规律及最危险点的位置，确定该种采矿方法充填体稳定性评判依据，并在此基础上，应用可靠度理论建立承载层稳定性极限状态方程，以及承载层稳定性可靠度不变时充填成本与进路宽度、承载层厚度之间的关系方程。结合某矿山实际情况，得出该矿山下向进路胶结充填采矿法承载层稳定性可靠概率为90％和在不同进路宽度条件下承载层厚度与充填成本之间的关系方程。研究结果表明，增加承载层厚度、减少承载层的灰砂比，既可保证承载层的稳定性，又可降低充填成本。对不同进路宽度的承载层厚度与充填成本之间的关系对比分析结果表明，当该矿山进路宽度增加到5．5m和6．0m，承载层稳定性可靠度达到90％时，充填成本将分别增加3．5％和7．7％，采场的生产能力提高10％～20％。     

基于板壳理论充填开采覆岩破坏分析方法的构建

充填开采覆岩的破坏过程不同于垮落法开采,为研究充填开采覆岩“两带”的发育过程,应用板壳理论构建了分析覆岩破坏过程的力学模型和“两带”高度的计算方法,得出当等效采高的变化突破某个临界值时,“两带”高度会出现跳变.以西马煤矿1327工作面为研究实例,采用构建的力学模型和计算方法,分析得到1327工作面充填开采后的断裂带高度为12.800 m,垮落带高度为0 m.现场实测得到1327工作面的断裂带高度为10.7 m,不存在垮落带.理论分析和现场实测得到的结果吻合,可见构建的力学模型和计算方法精度较高.     

(急)倾斜煤层深部开采覆岩变形力学模型及应用

根据人们对如何描述（急）倾斜煤层采空区上覆岩层变形行为的需要,在弹性理论的基础上,将上覆岩层假设为岩板,研究上覆岩层的变形特征,建立了上覆岩层变形的力学模型,导出了采动覆岩的挠度方程和计算最大挠度点的理论公式,通过计算得到了采空区下方挠度大于其上方的挠度,最大挠度点位于采空区中部偏下的位置,真实地反映了（急）倾斜煤层深部开采时采空区顶板变形特征和岩板在联合作用力条件下的变形本质,为（急）倾斜煤层深部开采覆岩变形计算提供了科学依据．     

冲击载荷下胶结充填体的力学性能及能耗特征

为得到中等应变率下全尾砂胶结充填体动态力学性能及破坏规律,采用分离式霍普金森杆(SHPB)试验技术对全尾砂胶结充填体进行了冲击加载试验.试验结果表明:充填体的动态抗压强度及动态抗压强度增长因子随平均应变率的增加均呈线性增长规律,灰砂比越高,充填体的动态抗压强度越大,但动态强度增长因子越小;充填体的韧性指数与平均应变率对数具有显著的正相关性,与静态加载下相比,韧性指数呈几何倍数递减;动载冲击下,充填体的破坏形态主要为轴向宏观主裂缝拉伸破坏及压碎破坏,当平均应变率高于临界值时,充填体破坏形态为压碎破坏;在相同应变率作用下,充填体的单位体积吸收能和单位质量充填体破碎耗能随着平均应变率的增加呈指数函数增长规律,水泥含量越高的充填体具有越高的破碎耗能及单位体积吸收能,且破坏损伤程度越小.     

充填开采含“天窗”薄基岩力学模型

针对第四系资源开采遇到的"天窗"地质构造问题,以存在天窗地质构造的煤矿为背景,建立充填开采含"天窗"水平薄基岩的力学模型—Winkler弹性地基上开孔固支板模型,求解矸石充填条件下含天窗水平薄基岩挠度表达式.在此基础上对薄基岩厚度、天窗尺寸、矸石充填体强度对薄基岩天窗附近应力分布影响进行分析探讨.研究结果表明:薄基岩下表面天窗边界处径向和环向应力都为拉应力;薄基岩厚度、天窗尺寸对天窗边界环向应力影响较大,而对径向应力影响较小,环向应力随薄基岩厚度的增大迅速递增,随天窗尺寸增大逐渐增大;增大矸石充填体强度能显著减小天窗附近应力,矸石充填体强度增大,环向应力大幅度降低,薄基岩天窗附近应力环境显著改善,防止天窗边界处出现破坏裂纹,导致薄基岩局部失稳.     

开采沉陷动态预计中的流变模型及应用

解决开采沉陷动态预计的规律性问题，必须把地质实测经验资料和采场覆岩移动变形力学机制有机地结合起来。用流变力学原理推导地表动态移动下沉值与时间的函数关系式，结合现场实测资料对相关系数进行估算，可以有效地对开采地表变形进行预计，有助于确定地表受采动的影响程度。     

矸石胶结充填体损伤演化规律及裂纹扩展特征

为研究巷柱式残采区不同承载能力煤柱旁矸石胶结充填体(GCPB)在单一荷载作用下的损伤演化规律,通过监测单轴压缩(UCS)过程中声发射响应特征、充填体前后超声波波速变化及采用扫描电镜(SEM)观测试样加载后的损伤裂纹断口微观形貌,研究了损伤裂纹由微观到宏观的能量演化规律及裂纹扩展机制。结果表明：胶结充填体强度随PC掺量的增大而增大,完整试样的波速均大于破坏后的波速;压密阶段的声发射事件率可作为判定充填体密实胶结的依据,建立了基于声发射事件数的损伤变量D和基于事件点的空间单键群架构,损伤变量D和单键群架构子集尺度Ω呈现明显的负相关;通过对比分析,主裂纹损伤阈值能量随PC掺量的增大而增大,分别为35,50,60,150 ms·mV,GCPB试件由脆性破坏向延性破坏转变;GCPB裂纹演化主要由3种不同的裂纹形核引起。以上可为充填体在矿井充填设计中提供依据。     

基于CCT模型的基底式胶结疏松砂岩声波速度修正模型

针对CCT(contact cement theory)模型中胶结物中心厚度为0的假设与基底式胶结疏松砂岩的地质特征不符合的问题,重新推导得到基底式胶结疏松砂岩的胶结半径表达式,给出基于CCT模型的基底式胶结疏松砂岩声波速度修正模型及其统计近似式,并将人造基底式胶结疏松砂岩的纵、横波速度的修正模型及近似式预测结果与试验测量值进行比较。结果表明:利用新推导的胶结半径表达式修正的CCT模型可应用于基底式胶结的疏松砂岩;修正模型统计近似式有效地提高了计算效率;修正模型及其近似式相对原CCT模型能够更好地预测基底式胶结的疏松砂岩声波速度。     

胶结充填体冲击破坏及损伤演化数值模拟研究

为定量描述胶结充填体在动载作用下的损伤程度及破坏过程,利用数值模拟软件对胶结充填体进行SHPB动态冲击,并通过室内SHPB冲击试验结果验证数值模拟方法的可行性. 对不同冲击速度（1.5 ,1.7 ,1.8 ,2.0 m/s）条件下4种配比胶结充填体（灰砂质量比分别为1∶4, 1∶6, 1∶8, 1∶10）,采用微裂纹密度法定义损伤变量值d,进行损伤规律及破坏过程的数值模拟研究. 结果表明:数值模拟中使用波形整形器可获得更加理想的矩形波,使试件同一平面单元所受应力均匀,无应力集中现象;数值模拟结果很好地展现了胶结充填体的动态破坏过程,其整体破坏趋势为边缘发生剥落后裂纹向内部延伸与贯穿;在加载速度从1.7 m/s增加至1.8 m/s的过程中,损伤变量增大幅度超过10％;冲击速度由1.5 m/s增加至2.0 m/s的过程中,灰砂质量比为1∶4, 1∶6, 1∶8和1∶10的胶结充填体的损伤变量d变化范围分别为0.238～0.336,0.274～0.413,0.391～0.547,0.473～0.617,灰砂质量比1∶6变化至1∶8时,出现明显的损伤“跃升”现象.      

充填开采超前段主动支护替代被动支护技术与应用

超前主动支护在围岩稳定性控制和生产管理等诸多方面有明显优势。以岱庄煤矿31322充填工作面为研究背景,借助矿压监测手段确定超前段围岩运移和应力演化特征,基于工作面应力场的分布规律,提出“充填面主动支护替代被动支护”理念,采用Fillzone模块模拟不同跨度充填对工作面超前段的影响,确定超前锚杆索主动支护方案在完全充填开采条件下的可行性;通过构建充填面人工支护体与围岩结构的力学模型,校验了回采巷道原支护强度,并针对不同回采巷道超前段进行差异性优化。试验结果表明,超前主动支护技术可节约成本60.6%,可为类似充填开采超前段主动支护优化提供借鉴。     

短壁开采覆岩关键层的力学分析

针对短壁开采中的覆岩关键层的岩性和结构特征,对短壁开采覆岩关键层进行了力学分析,推导了相应的关键层变形关系式,得到了各种开采参数下关键层的变形,提出了有效控制关键层下沉的措施。为短壁开采设计和地表沉陷预计提供了参考依据。