膏体充填开采底板破坏机理与分区治理措施

本文以某矿区为例,通过综合应用理论分析法、数值模拟法及现场实测法,对膏体充填开采底板破坏机理进行深入分析,明确膏体充填工作面底板塑性破坏区及其范围。在此基础上,提出膏体充填工作面底板破坏分区治理的技术措施,同时阐述相关成果能在改善矿区安全生产条件,以及提高矿产资源采出率方面提供帮助。

复合树脂充填与超硬树脂材料修复对根管治疗后牙体大面积缺损患者的治疗效果对比

目的比较复合树脂充填与超硬树脂材料修复对根管治疗后牙体大面积缺损患者的治疗效果差异,为临床治疗提供参考。方法选取2019年12月至2020年12月广东药科大学附属第一医院收治的60例根管治疗后牙体大面积缺损患者为研究对象,按照随机数字表法分为对照组和观察组,每组30例,对照组采用复合树脂充填治疗,观察组采用超硬树脂材料修复治疗。比较两组患者临床疗效、并发症发生情况、修复效果。结果观察组患者临床疗效优于对照组,治疗总有效率高于对照组(均P<0.05)。观察组患者并发症总发生率低于对照组(P<0.05)。观察组患者继发龋、嵌体断裂、嵌体脱落发生率均低于对照组(均P<0.05)。结论超硬树脂材料修复对根管治疗后牙体大面积缺损患者的治疗效果较好,且安全性较高,值得临床应用。

基于顶板结构断裂特征的煤矿结构充填关键位置确定方法

充填开采是控制岩层移动并降低地表沉降与环境损害的重要途径,而充填材料来源不足和充填成本高昂现成为制约井工煤矿充填开采推广应用的主要瓶颈。探寻重点区域的低充填率靶向充填新方法与配套技术是充填开采的研究热点之一。为解决上述问题,结合煤矿井下结构充填的学术思想,深入研究了顶板岩层断裂特征,明确了顶板岩层破断块体尺寸及铰接形态,识别了破断铰接块体主沉降区域,判定出结构充填的关键位置。结合关键位置确定方法,提出重点控制基本顶最大挠度位置,即板结构潜在张拉断裂位置(塑性铰发育位置)的“工字型”结构充填新方法。结合新阳矿岩层地质参数,借助FLAC^(3D)数值模拟软件,深入分析了工作面采宽和推进方向上顶板岩层内应力、竖直沉降、塑性区分布规律,揭示了不同方案下充填体稳定性演变特征。结果表明:“工字型”充填在节省充填用量的基础上,较垮落式开采减少初采期直接顶沉降量33.47%,与全部充填仅相差2.3%。同时,关键位置充填体能有效应对顶板回转下沉引起的应力集中,保持自身稳定性,实现对顶板的长效支撑。综合分析得到了新阳矿首采工作面初采期“工字型”结构充填最佳充填方案为中部条带长度72 m,宽度7 m,两侧条带长度18 m,宽度6 m,较全部充填可减少充填材料成本33.86万元。该方案形成的密闭空间为1980 m^(3),占总采出空间的44%,可用来储能或碳封存,助力实现零碳绿色开采,推动双碳目标的实现。

多尺度调控纤维增强水泥基充填膏体流动性与强度试验研究

为改善水泥基充填膏体的力学性能,采用玻璃、聚丙烯及聚丙烯腈3种纤维作为改性材料,探讨了纤维类型、掺量对水泥基充填膏体力学及流动性能的影响规律,并揭示了纤维对充填膏体力学性能的增强机理。结果表明:充填料浆的坍落度随纤维掺量增加逐渐降低,但纤维类型变化对料浆坍落度的影响并不显著;充填体抗压强度随着纤维掺量增加表现出显著的增加趋势,并且纤维种类变化对抗压强度的影响并不显著;随着纤维掺量增加,试样28 d抗拉强度表现出增大趋势,并且28 d抗拉强度的增加幅度远高于28 d抗压强度增幅;聚丙烯腈纤维对抗拉强度的提升效果最高、聚丙烯纤维次之,玻璃纤维对抗拉强度的提升效果最弱;玻璃纤维表面附着明显的水化产物,说明纤维与砂浆之间会形成明显的黏聚力,进而能够显著改善充填膏体的宏观力学性能。

低场核磁共振技术在充填体材料的应用优势

低场核磁共振技术近年来应用发展迅速,具有精准高效低价无损的特点,通过检测多孔结构中氢质子的核磁共振弛豫信号,来反映孔隙及其内部流体信息。研究矿山充填体材料的孔隙结构、水化进程和水分迁移,对于维护矿山与工程稳定具有重大意义。本文主要介绍了近年来低场核磁共振技术在矿山充填材料中的应用,如孔隙度、孔径分布、水化进程、水分迁移等;阐述了低场核磁相应设备的发展,对其前景的展望。

酸性矿井水环境中矸石胶结充填体的强度演化及劣化规律

矸石胶结充填开采是一种重要的充填开采方法,然而,酸性矿井水会严重影响矸石胶结充填体的强度。在本研究中,将矸石胶结充填体试件分别置于不同环境(空气、水、硫酸溶液、硫酸与荷载耦合)中,测试了不同龄期试件的抗压强度、电阻率及超声波波速,监测了加载过程中试件的声发射能量数值,同时结合扫描电镜和X衍射分析不同龄期充填体的微观结构。结果表明,1)空气中与水中养护的充填体抗压强度的增长趋势随龄期的增加而逐渐减缓。硫酸溶液中的充填体强度在前90天大于空气及水中养护的充填体强度。硫酸溶液与荷载耦合作用下充填体的强度随龄期的下降速率比单一硫酸溶液作用的较为缓慢;2)不同龄期矸石胶结充填体电阻率与超声波波速与强度有较好的对应关系。受侵蚀后矸石胶结充填体的破坏形式较为多样,且在加载不同阶段表现出不同的声发射能量特征,可以将声发射能量激增作为充填体的破坏前兆;3)侵蚀产物前期填充充填体内部孔隙,提高了其强度,后期会导致充填体膨胀开裂,强度降低。施加40%应力强度比的荷载会抵抗硫酸溶液的侵蚀。本文研究结果可以为充填体的耐侵蚀设计提供参考。

综采膏体充填绿色开采技术研究及应用

为保护矿区生态环境,提高“三下”煤炭资源开采率,以高河能源E1302充填首试面为工程背景,提出采场覆岩结构竖向划分为“四带”:膏体充填密实带、弯曲下沉联贯带、主关键层控制带和地表生态保护带。现场观测充填开采地表移动变形情况,地表下沉量最大值为213mm,倾斜变形和水平变形最大值分别为1.4mm/m、2.3mm/m,曲率最大值为0.06×10^(-3)/m。膏体充填开采结果表明:采空区隔离及膏体充填接顶效果显著,地表移动变形整体可控,实现井下“割煤—隔离—充填”高效协同。

柱旁单侧充填煤充结构体的破坏响应特征与失稳机制

为研究柱旁单侧充填后“充填体-煤柱”协同承载结构体(BP煤充结构体)的破坏响应特征,首先,借助三维光学散斑监测仪和声发射系统,开展6组不同类型BP煤充结构体试样的单轴压缩试验,实时监测表面变形信息和试样破裂信号;其次,构建基于声发射特征的BP煤充结构体单轴压缩损伤模型;最后,揭示BP煤充结构体单轴压缩的失稳机制。研究结果表明:随着煤体元件体积占比的增加,BP煤充结构体的承载能力逐渐减小,弹性模量先减小后增大,而峰值应变先增大后减小。BP煤充结构体试样在单轴加载过程中,应变集中带首先出现在煤-充界面,其次出现在体积占比较大的元件中,最后出现在体积占比较小的元件中;最大声发射能量均出现在体积占比较大的元件中。BP煤充结构体试样的损伤会经历一个渐进损伤过程,主要包括初始损伤阶段、损伤发展阶段和损伤衰减阶段;煤体元件体积占比越大,BP煤充结构体损伤值增长越迅速,也更易造成结构体突然失稳;相反,充填体元件体积占比的增大会延缓BP煤充结构体试样的损伤速度。BP煤充结构体试样的失稳最早由煤-充界面的剪切破坏或拉伸破坏所引发,之后煤体元件或充填体元件发生联动破坏,导致BP煤充结构体试样丧失整体承载能力,并引发最终失稳。

复合充填结构体承载破坏演化特征

针对力学性质存在差异的材料组合而成的复合充填结构体在承载过程中内部应力分布不均的现象,开展了由不同强弱介质组合而成的复合充填结构体的单轴压缩试验。结合声发射特征分析,研究了复合充填结构体的承载特征、损伤演化和破坏特征。研究表明:①单轴压缩状态下复合体内部应力分布不均,强介质内部应力大于弱介质内部应力,整体荷载主要由强介质承担;②当复合体中强介质强度一定时,复合体整体强度与弱介质强度呈正相关;③当弱介质强度小于等于3.21 MPa时,复合体应力—应变曲线出现两个弹性阶段,且第一弹性阶段的斜率大于第二弹性阶段,随着弱介质强度增加,第一弹性阶段增长、第二弹性阶段缩短,当弱介质强度大于3.21 MPa时,第二弹性阶段消失;④声发射信号演化特征表明:两个弹性阶段的拐点处弱介质出现大量损伤破坏,弱介质先于强介质破坏,当弱介质强度大于3.21 MPa时,损伤主要发生在压密和屈服后阶段,弱介质与强介质同时破坏。研究成果可为地下采场复杂应力场控制措施研究提供基础。

含倾角结构面的胶结充填体动态力学特性研究

为探求充填过程中多次充填产生不同倾角充填面对充填体产生的影响,制备含不同倾角结构面的胶结充填体(CTB)试件以及完整试件,并采用分离式霍普金森压杆(SHPB),对CTB试件进行单次与循环冲击破坏试验。试验得出:在单次冲击试验中,完整试件峰值应变和平均应变率小于含结构面倾角的试件,随着试件倾角的增加,试件的动态抗压强度逐渐降低;含结构面倾角试件表现出两种不同的应力-应变曲线特征。循环冲击试验下,结构面倾角越大试件抵抗冲击的能力越弱;含结构面倾角试件在第一次循环冲击下的应力-应变曲线与完整试件特征一致,而当循环次数增加时,应力-应变曲线特征与单次冲击下类似,在达到动态峰值应力前后,出现了显著的低应力波峰现象。随着结构面倾角的增加,充填体基体之间结构的致密性降低,导致结构面上裂纹数量的增多以及裂纹宽度的扩大,在微观结构上验证了结构面倾角的增加会引起结构面处剪应力的增大及充填体破坏模式发生改变,同时充填体容易沿着结构面处发生断裂。

大空区充填体结构稳定分析与强度设计

结合某铁矿大空区胶结充填处理实际,分析了大空区的充填特点,提出了大空区胶结充填体的薄饼结构概念。运用结构力学方法分析了薄饼充填结构充填体的稳定性;考虑层间弱面结构作用,运用FLAC3D数值分析软件分析了薄饼充填结构假顶首层充填高度对假顶稳定性的影响,得到结论:由于薄饼充填结构的层间弱面作用,用较高强度的充填料充填大空区既无必要,也不科学,可以固化稳定充填料浆为目的,采用较低的强度充填。

铅锌渣复合胶凝材料在矿山膏体充填中的应用研究

为了实现铅锌渣的资源综合利用,研究新型复合胶凝材料,对铅锌渣的物理化学性质进行测定,采用机械活化和碱激发方式,探索研究出了铅锌渣复合胶凝材料,并采用X射线衍射分析(XRD)、电镜扫描(SEM)对铅锌渣复合胶凝材料的微观形态和水化机理进行了研究分析。研究结果表明:铅锌渣复合胶凝材料具有较好的性能,可有效解决矿山早期强度偏低的问题,且后期强度稳定,其制备的膏体属于第Ⅱ类一般工业固体废物,符合国家相关标准;在满足矿山设计要求下,充填浓度均为75%时,灰砂比为1∶6的YH胶凝材料可代替灰砂比为1∶4的矿山现用充填水泥,单方充填材料成本下降11%左右。本文研究成果可在国内类似矿山推广应用。

考虑结构特征的采场胶结充填体稳定性分析

以阶段嗣后充填开采为背景,以胶结充填体为研究对象,基于莫尔-库仑破坏准则,综合考虑分层效应、顶部荷载、侧压系数等的影响,建立了大深宽比采场胶结充填体安全系数求解模型,并与其他学者的模型进行了对比验证,最后探讨各因素的影响特性。研究结果表明:滑动面位置存在位于第一分层、穿过2个分层和穿过3个分层等3种情形,且主要为前两种;对比其他模型,验证了本文模型的合理性与可靠性,不同模型研究背景不同,侧重点不同,结果存在一定差异;胶结充填体安全系数随顶部荷载、侧压系数和容重增大而减小,随内聚力、内摩擦角和内聚力比增大而增大,且它们之间均呈线性函数关系,其中安全系数对内聚力敏感度最高、对顶部荷载敏感度最低。

煤矸石基胶结充填体力学性能及微观结构演化研究

针对某煤矿矸石消纳量低、处置成本高等技术瓶颈,为契合两山论及绿色矿山发展理念,研究以煤矸石为骨料,大宗工业固废粉煤灰和脱硫石膏等制备胶凝材料,研制煤矸石基新型复合膏体充填材料。借助正交试验,设计以细矸率、煤矸石掺量、粉煤灰掺量为目标因素,考察不同因素水平变化下充填体力学强度的影响规律,综合极差分析和方差分析,定量评估各因素对充填体样品强度的敏感程度,采用压汞仪、扫描电子显微镜揭示了水化产物作用机理、孔结构特征及微观结构形貌。结果表明:①随着细矸率的提升,充填体样品的抗压强度和抗折强度均表现为先正相关后负相关,细矸率40%是其性能临界点;煤矸石掺量影响充填体样品力学强度的规律为先增后减;随着粉煤灰掺量的提升,充填体样品早期强度降低,后期强度升高。②充填体样品3d和7d强度的影响因素显著性强弱的排序为细矸率、煤矸石掺量、粉煤灰掺量,最优配合比为细矸率40%、煤矸石掺量40%、粉煤灰掺量25%;充填体样品28d强度的影响因素显著性强弱的排序为细矸率、粉煤灰掺量、煤矸石掺量,最优配合比为细矸率40%、煤矸石掺量45%、粉煤灰掺量40%。③充填材料主要水化产物为钙矾石和C—S—H凝胶,二者的搭接密实性决定了充填体样品强度的发展;随着水化龄期的延长,水化产物不断发育,相互搭接形成致密的网状结构,细化结构孔洞,显著提高了充填体样品的力学强度。

“膏体-矸石”复合承载结构的力学特性试验研究

“充填膏体-垮落矸石”复合充填开采是降低充填成本和提高充填采矿效率的有效手段之一,以试验矿井为工程背景,开展复合承载结构的力学特性研究。研究结果表明:复合承载结构可以采用粒径级配指数为0.4的级配矸石粒径进行模拟;膏体配比为8%水泥、15%粉煤灰、40%河砂、1.2%早强剂时强度最佳;不同膏体配比的复合承载结构,在受载过程中的应力-位移曲线趋势基本相同,可以划分为7个阶段;膏体配比与第1次失稳应力临界值成正相关,与第2,3次失稳临界值成负相关;在高应力条件下,复合承载结构呈现大变形特征,应力指数呈上升趋势,其应力-位移曲线可划分为4个阶段,仅呈现1次明显的应力峰值,第2次失稳破坏临界值与加载速率成正相关;随着应力加载速率的增加,复合承载结构临界值应力增大、位移减小。

“充填体-煤柱”复合结构势能突变破坏机理

为研究巷式充填开采“充填体-煤柱”复合结构稳定性,分析了复合结构承载特征,建立了复合结构充填体承载部分与煤柱承载部分势能函数表达式;运用突变理论,分析了势能发生燕尾型突变的临界条件,给出了以塑性区宽度为主要指标的复合结构破坏失稳判别公式,研究了采场巷道宽度、煤层埋深以及开采阶段数等开采参数对复合结构稳定性的影响;采用数值计算的方法,结合王台铺煤矿工程案例,分析了复合结构垂直应力分布特征、塑性区宽度等承载参数,验证了复合结构破坏失稳判别公式的准确性。

改性镁渣基充填材料的性能评价及其孔结构演变规律研究

工业产生的固废所造成的环境污染问题是实现清洁生产的主要阻碍。为实现可持续发展,将镁渣(MS)和粉煤灰(FA)回收作为胶凝材料,再与尾砂(TL)混合,制成一种可用于采矿工程中的膏体充填材料,研究了不同粉煤灰掺量和尾砂含量充填体的流变特性、力学性能和孔结构演变。结果表明:(1)随着粉煤灰掺量增加,微型坍落度值先增大后减小,粉煤灰掺量为20%时,充填体的流动性最好。(2)单轴抗压强度随养护龄期和粉煤灰掺量的增加而增加,随尾砂含量增加而降低,低粉煤灰含量的充填体在早期强度发展缓慢,而高粉煤灰掺量的充填体早期强度发展较快。(3)临界孔径和孔隙率随着粉煤灰掺量的增加而减小,掺量越大临界孔径减小的幅度越大,随着尾砂含量增加,临界孔径和孔隙率逐渐增大。

胶结充填体内部微观结构演化及其长期强度模型试验

通过开展不同灰砂质量比、料浆质量浓度和养护龄期条件下的胶结充填体内部微观结构演化及其强度模型试验,研究充填体内部水化反应产物的类型及形态对其强度发展规律的影响。试验结果表明:水化作用后的水化产物在充填体内部的赋存形态不尽相同,早期多以针状物质存在,通过团絮状、丝状产物相联结;随着龄期的增长,团絮状胶凝物质大量生成,水化产物黏结得较紧密,机械强度得到了进一步的增强,表面仍可以看到少量针状物,但大部分已被絮状物覆盖;90 d时,早期水化反应产生的针状物几乎不存在,更多是以成团状、块状或成片状物质形式存在,且团状物质与团状物质或块状物质间黏结相当密实。对比水化产物元素分析结果可以看出,其主要成分由O,Si,Ca,Al和Mg等元素构成,灰砂质量比越大、料浆质量分数越高,水化产物元素量越多。对不同条件下的充填体强度曲线进行拟合,得到了充填体强度增长规律:充填体的强度增长规律基本一致,增长曲线呈"S"型;强度增长过程可分为强度增长初始时期、强度快速增长时期以及强度增长平缓期;灰砂质量比、料浆质量浓度越高,充填体强度增长越快,增长曲线变陡。

深井复合顶板条件下沿空留巷充填体水平方向稳定性分析

针对深井沿空留巷充填体常向巷道空间发生移动,分析深井复合顶板条件下充填体水平位移特征,计算顶底板对充填体的摩擦力和基于弹性地基梁理论下的采空区冒落矸石对充填体的水平挤压力。基于淮南矿区顾桥矿1115(1)工作面轨道顺槽典型深井复合顶板条件下沿空留巷工程地质条件,建立充填体力学计算模型,得到深井复合顶板条件下沿空留巷充填体内移表达式。结果表明,(1)由于复合顶板裂隙发育,垮落后具有较好的流动性,在关键块旋转下沉过程中容易对充填体产生水平挤压力,且复合顶板能够较大程度吸收关键块旋转下沉施加的给定变形,底板不易插底,充填体更易发生内移;(2)理论计算充填体位移量为0.38 m,实测位移量为0.5 m,二者能够吻合,验证了研究成果的正确性。根据充填体内移特点,提出抗剪锚杆等措施增加充填体和顶底板摩擦因数和在靠近充填体的采空区侧设置隔离桩的控制技术。

高水充填材料的胶凝、浆体结构和稳定性

高水充填材料是一种新型矿山充填材料。应用TG-DTA，XRD和SEM等分析方法研究了这种材料的胶凝、胶体结构及其稳定性等。