基于正交试验的煤矿安全开采充填材料配比优化研究

针对目前我国"三下"压煤的现状,以及煤矿固体废弃物以煤矸石、粉煤灰为主的情况,结合岱庄煤矿膏体充填工程实践,以水泥为胶结料,煤矸石和粉煤灰为粗细骨料,运用正交试验的方法定量确定了水泥、粉煤灰和煤矸石不同配比和膏体浓度对煤矸石膏体充填各性能指标的敏感程度,以及各指标随各因素的变化趋势。结果表明:提高水泥掺量可以缩短膏体的凝结时间并提高膏体的强度;膏体的塌落度即流动性主要通过调节其浓度来实现;加入适量的粉煤灰可以提高膏体的流动性,但随着粉煤灰的增多,分层度和泌水率都有所增加。当水泥∶粉煤灰∶煤矸石为1∶2.22∶4.44,浓度为75%时,充填膏体的可泵性和强度都达到最佳,充填效果显著,有助于煤矿安全开采。     

热电厂炉渣作为煤矿膏体充填材料的配比试验研究

为了寻求既满足充填工艺要求又能够降低成本的新型充填材料，通过一系列试验，研究了热电厂粉煤灰/炉渣比例、膏体质量浓度和水泥含量等因素对膏体充填材料性能的影响规律，据此确定了材料最优配比。结果表明:随着粉煤灰/炉渣比例的增加，坍落度、扩展度和充填体强度均呈现先较大幅度增加然后又缓慢减小的变化趋势，料浆泌水率呈近似负指数规律降低；随着质量浓度的增加，坍落度、扩展度及泌水率均随之显著变小，充填体强度近线性增大；随着水泥含量的增加充填体强度随之显著增大，坍落度、扩展度和泌水率均呈现缓慢减小的变化趋势；材料的最优配比为粉煤灰、炉渣和水泥的质量比为 20∶48∶6，质量浓度为 74%，此时料浆流动性和充填体强度完全符合充填开采基本要求。     

基于地表沉陷控制的膏体充填材料的性能优化研究

充填材料性能是充填开采控制地表沉陷的一个重要因素,为克服传统充填材料性能优化试验耗时长、成本高、人为误差较大的缺点,探索将传统正交试验与模糊决策相结合进行充填材料性能优化。基于L9(33)正交试验,确定了S1~S55组充填材料性能优选方案。在综合分析充填材料性能影响因素的基础上,建立充填材料性能优化指标体系,构建AHP-FUZZY模糊综合优选模型对方案进行比选,并分析了正交试验中各因素水平变化对最优方案的敏感性。结果表明:膏体充填材料性能最优方案为“S4”即水泥含量15%,灰矸比1∶2,质量浓度75%,决策结果与试验结果相符,且“灰矸比”对充填材料性能优化的敏感性程度最高,在实际膏体充填开采中要严格控制粉煤灰和煤矸石掺量。     

湿排粉煤灰似膏体充填采空区试验研究

为了确定湿排粉煤灰似膏体充填的关键技术参数,通过湿排粉煤灰物理化学试验、膏体充填配比试验及现场工业试验,研究了湿排粉煤灰的物理化学特性、膏体充填配比参数和工业试验运行参数。结果表明,湿排粉煤灰松散干密度为0.85 g/cm3,管道输送性能良好,渗透系数为8.52×10-4,脱滤水较困难,单位沉降量与压力关系曲线比较平缓,凝固后沉缩率较低,含有一定量的活性SiO2和Al2O3成分,具有一定的胶凝特性。当m(水泥)∶m(粉煤灰)=1∶8~1∶10、质量分数为62%~65%时,初凝时间180 min,28 d强度大于1 MPa,现场工业试验历时45 min,充填质量分数稳定在60%~64.5%,充填系统运行平稳,初期强度达到工业要求。湿灰作为似膏体充填骨料在华泰矿业首次得到成功应用,充填材料成本为50~57元/t。     

基于实现高强度充填体要求的全尾砂膏体配比试验研究

为了解决分级尾砂作为充填骨料存在的尾砂产率低、采场滤水严重、充填成本高等问题，以某典型矿山为背景，结合膏体充填的特性，分析了该矿充填存在的主要问题，总结并提出了改用全尾砂膏体充填的必要性，开展了全尾砂充填性能评价基础试验以及室内全尾砂膏体正交配比试验研究。研究结果表明:该矿全尾砂粒度适中偏粗，适合选用全尾砂膏体充填，全尾砂膏体充填体强度与分级尾砂充填体强度相当，选用该矿原有灰砂配比1∶4和1∶8即可达到下向充填法开采所需高强度充填体要求，对采用分级尾砂充填拟改为全尾砂膏体充填的矿山具有一定参考价值。     

基于FLAC3D分析的某铁矿充填效果研究

为解决辽宁某铁矿开采后地表沉陷问题,验证自研的复合激发尾砂胶结充填体充填效果,运用FLAC3D模拟软件对铁矿二步骤充填开采和地表沉陷进行数值模拟计算研究.研究结果表明:采用3种胶结充填体分别进行二步骤充填后,盐基、碱基、水泥基胶结充填体内部的应力平均值分别为0.92,0.79,0.93 MPa,最大位移值分别为38,2...     

铅锌尾砂胶结充填材料优化配比正交试验

为优化铅锌尾砂胶结充填工艺参数,提高充填体的强度指标,采用正交试验方法分析料浆质量分数、灰砂比、粉煤灰掺量对充填体坍落度、泌水率和单轴抗压强度的影响,并确定充填材料的最优配合比。试验结果显示:料浆质量分数是影响充填体坍落度和泌水率的主要因素,料浆质量分数为74%时,坍落度为18.2~21.0 cm,料浆质量分数为74%时泌水率最低(≈1%);充填体7天和28天单轴抗压强度与料浆质量分数及灰砂比呈正相关关系,与粉煤灰掺量呈负相关关系。综合考虑坍落度、泌水率和单轴抗压强度后得出试验结果,铅锌尾砂胶结充填最优配合比为料浆质量分数74%、灰砂比1:6、粉煤灰掺量15%。     

硫酸盐腐蚀作用下膏体充填材料蠕变特性研究

为研究硫酸盐腐蚀后膏体充填材料的蠕变特性,采用饱和的Na2SO4溶液对充填体进行腐蚀试验,并对各个腐蚀时间不同的充填体采用TAW2000型岩石三轴试验机进行三轴蠕变试验。根据试验数据建立膏体充填材料的蠕变本构模型,将一个应变触发的非线性粘壶串联到Burgers模型上,建立满足充填体蠕变特性的改进Burgers模型,并推导其一维和三维蠕变本构方程。研究结果表明:在硫酸盐腐蚀作用下,充填体的蠕变变形在腐蚀6d时出现了一定的减少,但随着腐蚀时间的推移蠕变变形明显加大,在应力较大时出现了加速蠕变并导致试件破坏,硫酸盐腐蚀作用严重影响了充填效果;建立的改进的Burgers模型与试验数据基本吻合,能够反映腐蚀后充填体蠕变规律。     

充填体与岩体能量和强度匹配的分析及应用

矿山嗣后充填法中,采用经验类比法判定胶结充填体的强度存在诸多问题。利用新的方法来分析充填体与岩体的匹配是必要的。对某铜矿灰砂比为1∶6、1∶8、1∶10和1∶12的4种尾砂胶结充填体进行力学试验和匹配分析。首先利用损伤力学方法建立充填体破坏前本构方程,根据岩体开挖释放能量与充填体蓄积应变能相近的原则,来判定岩体与充填体的匹配;然后运用GTS/MI-DAS有限元软件模拟开采-充填过程,根据应力变化与充填体极限强度的大小关系判定两者的匹配。2种方法所得到的结论一致。分析结果表明,该矿山宜采用充填配比不小于1∶10的尾砂胶结充填体。     

分层充填开采煤层瓦斯运移方式及涌出规律研究*

为了探究使用分层充填法采煤过程中煤层瓦斯的运移方式及涌出规律,以高河煤矿E1302工作面为研究对象,采用实验室试验、理论分析、数值模拟相结合的方法建立数学模型,利用数值模拟软件对煤层瓦斯的运移方式及涌出规律进行求解。研究结果表明:使用分层充填法采煤时,充填体渗透率远大于煤体,下分层煤体中的瓦斯会以充填体为媒介向工作面涌入;开采过程中,工作面瓦斯压力随开采时间逐渐降低,开采30 d后,煤层最大瓦斯压力下降18.75％,最大瓦斯渗流速度始终位于充填体、工作面、下分层煤体交界处;工作面绝对瓦斯涌出量随着开采时间的推移呈波动式下降。     

建筑物下采煤技术的研究现状与发展趋势

我国建筑物下采煤的研究从20世纪60年代开始,先后在本溪、鹤壁、抚顺、枣庄、峰峰、蛟河等矿区进行试验,取得了成功的经验和宝贵的监测资料。在综合分析大量文献的基础上,从协调开采法、充填开采方法、条带开采、覆岩离层注浆等多种开采技术对建筑物下开采方法进行了研究和论述;展望了我国建筑物下开采的发展趋势,认为覆岩离层注浆、矸石充填、条带开采、原地重建抗变形房将是我国建筑物下采煤技术的发展方向。     

动力扰动作用下充填体的力学响应研究

稳定的充填体是二步骤矿房回采的安全保障。在采矿动力作用下实现充填体的稳定性预测,是二步开采的安全控制关键。为了研究不同扰动幅值下充填体的动力响应规律,以某矿山工程为研究对象,采用Midas/GTS与FLAC3D数值模拟技术,建立了充填体动力稳定性分析的三维数值模型并进行了数值模拟分析。研究结果表明:动力扰动作用下,充填体暴露面的破坏区域由四周逐渐向中心扩展,并随着动力扰动幅值的增加,充填体暴露面破坏区域逐渐增大直至贯通破坏;充填体暴露面质点峰值振动速度随着动力扰动峰值的增加而增加,并得出了适用于该矿充填体暴露面振动峰值速度与动力扰动幅值之间的函数关系。距动力加载面越远,充填体内部质点峰值振动速度越小,且距动力加载面0~12 m处,质点峰值振动速度衰减较慢,从12~20 m质点峰值振动速度下降趋势最为明显。     

分区协同开采下矿柱力学响应与稳定性分析*

为解决某钒铁矿经多年开采后,由于钒铁矿矿区赋存条件变化导致开采相互制约、资源利用率低、矿柱积压矿量大以及井下采空区隐患大等问题,制定“保钒采铁、分区协同”的开采方案。通过矿柱强度理论对矿柱的强度和承受载荷进行计算,进而通过矿柱安全系数来判断矿柱的稳定性。通过FLAC3D软件对东、西区铁矿体进行数值模拟研究,通过对开挖后的位移云图、应力云图以及塑性区分布图来分析矿柱的稳定性。研究结果表明:针对某钒铁矿东、西区提出的嗣后膏体微胶结充填法及中区提出的分段空场法转分段崩落采矿法可提高矿柱的稳定性。     

村庄下条带开采留设煤柱充填回采安全性研究

为探究充填回采条带留设煤柱的安全可行性,首先,提出条带开采留设煤柱充填回采方案,通过理论计算充填体荷载及强度,分析充填体的稳定性;其次,根据条带开采后岩层移动情况确定预计参数,采用概率积分法计算充填回采后地表移动与变形,结合建筑物损坏等级评定标准,分析地表建筑受损情况,验证充填回采条带煤柱的适用性;最后,以佛店村庄下充填回采条带煤柱为实例进行分析。结果表明:条带充填体荷载22. 3 MPa,充填体强度31. 3 MPa,充填体安全系数1. 41,可使地表保持长期稳定。采用充填回采方案可将地表移动变形控制在Ⅱ级变形范围内,使地表建筑的正常使用不受影响。     

粉煤灰-煤矸石基胶结充填材料制备与性能研究

为了解决我国煤矿采空区地表沉陷以及"三下"压煤资源浪费的问题,提出以粉煤灰-水泥熟料-脱硫石膏复合胶凝材料为胶结材,原状粉煤灰为细骨料,破碎后的煤矸石为粗骨料制备新型煤矿开采胶结充填材料。依据正交试验结果和各因素影响规律趋势图,确定充填材料的优化配合比。研究结果表明,适当增大水泥熟料掺量可缩短材料初凝时间,减小水胶比能使材料强度显著提高,而材料坍落度可通过选取适宜的浆体中的固体质量分数和灰矸比来有效调节,当胶凝材料中水泥含量为15%,脱硫石膏含量为8%,水胶比为2,灰矸比为2∶3,浆体中的固体质量分数为70%时,充填材料性能可达到最佳。通过试验优选材料各项参数,工业废弃物可以用来制备高质量的胶结充填材料。     

基于Phase2的不同配比充填体厚度的数值模拟研究

在充填体作用机理,稳定性分析与监测,爆破地震效应,静动态特性及损伤理论等方面的研究基础上,依托安庆铜矿高阶段大直径深孔采矿法第一步骤采场的充填现状,采用Phase2软件建立了多种数值分析模型对不同灰砂比充填体厚度的充填效果进行数值模拟研究,并进行了多方案技术经济对比分析。研究结果表明:灰砂比为1∶4,1∶8,1∶10对应充填体厚度分别为10,24,22 m时,为最优方案。该充填体厚度可为矿山采场充填配比设计、充填管理及充填质量提供技术参考。     

破碎岩体流变特性及其应用研究

受采动应力和水-岩耦合作用,松散含水层下薄基岩煤层采场易发生出水压架致灾事故,而巷采充填方法是解决此类问题的有效途径之一。为了研究巷道充填后上覆岩层的运移规律,首先采用流变仪对充填岩体进行了流变力学试验,其次采用FLAC模拟软件建立了巷采充填的数值计算模型,分析了充填开采时煤柱与充填体的应力、位移变化规律及基岩面的运移规律。研究表明:破碎岩体的压实过程由三部分组成:颗粒的重排、颗粒的破碎和孔隙的填充、颗粒的压缩变形;蠕变状态下,当时间t≥1天,轴向位移基本趋于稳定,破碎岩体达到了一定的强度;随着充填体变形模量的增加,充填体能够有效抑制高位承载岩层的下沉量,从而减小工作面发生压架突水灾害的几率     

薄煤层超高水充填开采与地表沉陷研究

充填开采是建筑物下压煤的开采方法之一。为研究超高水充填开采对建筑物的采动影响程度,评价超高水充填效果,以吕沟煤矿超高水充填工作面为例,建立地表移动观测站对地表沉陷进行观测。采用概率积分法预计地表移动和变形值等,分析超高水充填开采对建筑物的影响。研究表明:超高水充填后地表下沉值较小,工作面推进270 m时,地表最大下沉值为43 mm;地表村庄建筑物损害级别在Ⅰ级以内。超高水充填开采能大幅减小地表移动和变形值,降低建筑物损害等级,保障地表建筑物的安全使用。     

水平分层干式充填法采场片帮冒顶伤亡事故分析及预防

充填采矿法是在矿房中分层回采矿石,用充填料充填采空区,充填的目的主要是利用其充填体进行地压管理以控制围岩崩落和地表下沉,同时为进行下分层回采造成适当的工作场地和安全环境。这种方法多用于开采矿石或围岩不稳固的急倾斜薄到中厚矿体,特别是矿体形状不规则,分枝复合现象严重,厚度变化大,探矿程度较差或在回采时需要随采随探的矿体更显示其优越性和灵活     

薄基岩巷采矸石充填围岩变形特征的数值模拟

巷采矸石充填开采是"三下"开采中控制覆岩移动变形和地表沉陷的有效方法之一。矸石充填开采既可以避免造成污染,又能够置换"三下"压煤、提高煤炭资源回收率,还可缓解部分副井提升压力,具有重要的理论意义和应用价值。为了确定厚表土层薄基岩下巷采矸石充填开采方案,采用数值模拟方法研究厚表土层薄基岩下充填开采地表沉陷特征及围岩变形机理。结果表明:在煤柱中布置宽5.0m,高5.8m的矸石充填巷,巷间煤柱宽10m的方案是可行的。通过数值模拟验证了在煤柱中掘进巷道并利用矸石回填以置换开采出部分条带煤柱技术的可行性,巷式充填采煤方式能有效控制上覆岩层移动,此种采煤方法为"三下"难采煤层提供了一种有效途径。