矸石粉替代粉煤灰膏体充填材料性能研究

针对传统煤矿膏体充填材料对粉煤灰的需求量较大、成本较高的问题,研究矸石粉替代粉煤灰作为辅料时的膏体充填材料性能,采用正交试验方法以及MATLAB进行线性回归预测和3D可视化模型的建立,分析水掺量和水泥掺量对膏体充填材料流动性和力学性能的影响规律。试验结果表明:随着水泥掺量的增加,充填料浆流动性缓慢下降,同龄期抗压强度也持续缓慢增加,且1~3d变化较明显,3~28d变化较小;水掺量是影响流动性的主要因素,尤其是对充填料浆的扩展度的影响最为明显,随着水掺量的增加,同龄期抗压强度在显著减少,且龄期越长,结果越为明显。综合分析得出最优配比为15%水泥掺量,23%水掺量的充填材料,既满足充填强度要求也满足膏体的流动性要求。

大埋深倾斜厚煤层下导水裂隙带发育高度的微震监测

以九龙矿15249S工作面为工程背景,利用微震监测技术对上覆岩层塑性区破坏变化规律及导水裂隙带发育高度进行监测,并结合理论计算、数值模拟与现场实测结果进行对比,验证微震监测较高的准确性。结果表明,微震监测结果更为接近现场实测数据。监测结果显示:工作面及其回采巷道上方130 m范围内,微震事件分布密集、能量较大,故该空间内上覆岩体破坏变形较为严重,裂隙较为发育;当超过130 m时,微震事件骤减,数量几乎为0;因此得到导水裂隙带发育高度为130 m。研究成果可为九龙矿的安全生产提供可靠参考,并为类似的大埋深倾斜厚煤层工作面提供一种有效监测导水裂隙带发育高度的方法。

分层充填开采覆岩演化规律研究

为研究分层充填开采覆岩演化规律及对地表沉陷的影响,本文以邢台矿为例,采用数值模拟方法构建了采场宏观模型,分析了不同推进距离下分层充填开采覆岩应力及运移演化规律,并与单层充填开采进行对比。研究结果表明:①随着推进距离的增加,采充区域应力云图均呈现“X”弱应力区形态特征,分层充填开采的“X”弱应力区较同等条件下的单层充填开采面积更大,分层充填开采工作面前方应力集中峰值为21.149 MPa,相较同等条件的单层充填开采工作面前方应力集中峰值21.650 MPa要小,分层充填开采对矿压的改善效果优于单层充填开采;②随着工作面的不断推进,顶板沉降值均不断增大,顶板运移等值区域均呈现拱形形态,以沉降极值为中心呈现对称分布,随充填工作面的推进方向移动,分层充填开采顶板沉降极值为74.969 cm,小于同等条件下单层充填开采的顶板最大沉降值75.790 cm,分层充填开采对采充区域上覆岩层的控制效果更好,顶板活动相对更小,分层充填开采地表沉陷极值为60.23 cm,小于同等条件下单层充填开采地表沉陷极值60.83 cm,分层充填开采对地表沉降的开采扰动影响更小。

加载速率对裂隙注浆体受力破坏特征影响研究

为了研究开挖速率对注浆后岩体破坏机制的影响,利用岩石刚性试验机和声发射设备对砂岩裂隙注浆体开展加载与监测试验,研究不同加载速率与不同裂隙倾角影响下注浆体的力学特性及声发射时空演化特征。结果表明:随加载速率增加,相同裂隙倾角注浆体试件峰值强度逐渐上升,且注浆体试件的峰值强度低于完整试件;在裂隙倾角为15°~45°时,注浆体试件峰值强度主要受加载速率影响增加而增大;裂隙倾角为60°时,峰值强度主要受裂隙倾角影响随加载速率增加变化规律与之相反;注浆体变形模量与峰值强度变化特征基本一致,弹性模量总体呈下降趋势,且裂隙倾角对注浆体试件弹性模量影响程度大于加载速率;以裂隙倾角45°为例,分析了声发射振铃计数与加载曲线对应关系可以发现,应力突降对应声发射振铃数骤增,反之则不一定;加载速率大小与峰前“平静期”的产生及持续时间有着密切关系;声发射事件点主要集中在注浆固结体内部,且随着加载速率增加,事件点的个数呈逐渐减少趋势,此现象可为相应的裂隙注浆岩体工程施工提供灾害预测及理论指导。

高压水射流冲击下煤体初始失效形式分析

高压水射流冲击下煤体初始失效机理研究有助于评价煤体损伤特征。以九龙矿2#煤层为研究对象,采用光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamics, SPH)方法建立了水射流冲蚀煤体数值模型,结合von Mises理论分析了煤体在高压水射流冲击下内部应力分布及裂纹扩展特征,并基于Python编程图像处理技术量化表征了煤体内裂纹形成规律。研究结果表明:在射流冲击下煤体损伤演化过程分为3个典型区,即破碎区、初始裂纹形成区和裂纹扩展区。当射流接触煤体表面时,在水锤效应影响下煤体主要受剪应力作用形成破碎区;在初始裂纹形成区,煤体受到压剪应力及微小拉应力共同作用,初始裂纹萌生;随着水锤效应的消失,射流冲击引发的应力波导致煤体内部主要承受拉应力作用,形成裂纹扩展区。因此,在实际工程中可以通过实时监测射流冲击下煤体内部应力特征来判断其损伤程度。

应力拱效应下裂隙场演化规律及应用

为研究九龙矿覆岩裂隙场演化规律,运用数值模拟、理论分析相结合的方法,开展应力拱效应下裂隙场的演化规律研究,得到了断裂离层高度、断裂角、应力拱及拱脚位置随推进距离变化的演化规律,并建立应力拱模型,得到各参量与应力拱高度的量化关系。结果表明:裂隙场可分为靠近煤壁侧的裂隙区、中部的压实形成区、压实扩展区、工作面右侧的裂隙区和塑性区裂隙区,离层裂隙的高度和断裂角随着周期来压呈阶段性增长;应力拱位于上覆岩层塑性裂隙区和采场周围煤岩体中,近似呈半椭圆形分布,应力拱的拱脚作用在工作面前后方和侧翼未采煤层支承压力峰值区,应力峰值区距开切眼的距离是动态变化的;建立应力拱模型,得到断裂角、推进距离、断裂离层高度、拱脚距煤壁距离与应力拱高度的量化关系,求得应力拱高并结合数值模拟结果进行工程实践,有效地预计了裂隙带高度,保证了工作面的安全开采。