侧限条件下充填体-煤柱耦合承载协同作用机理

为了解决蹬空开采过程中下伏采空区煤柱的稳定性问题,开展了侧限条件下的充填体-煤柱耦合承载压缩试验,研究不同充填体强度及充实率条件下煤柱的力学特性及其相互作用机理,分析充填体强度和充实率对煤柱的压缩特性、破坏形态、破坏强度和环向应变的影响规律,研究不同高度和强度的充填体内弹性模块上的径向应变特征,并据此建立充填体接顶和不接顶条件下的主动和被动约束分析模型。研究结果表明:充填体高度为90 mm的组合体在煤柱破坏之后的应力应变曲线表现为“阶梯式”变化,充填体高度为70和50 mm的组合体在煤柱破坏之后表现为“断崖式”下降;煤柱的破坏强度随充填体高度和强度的增长呈现非线性增长特性,随煤柱与充填体的单轴抗压强度差的减小而增加,煤柱的破坏形式随充填体强度的增加由剪切破坏逐渐过渡至劈裂破坏,充填体高度的增加可以显著提高煤柱破坏时的完整性和延长充填体包裹破坏后煤柱的承载过程。接顶条件下的充填体在轴向压缩后产生径向扩容为煤柱提供主动侧向约束,同时还要承受煤柱挤压充填体后,充填体为煤柱提供的被动侧向约束,而不接顶条件下的充填体仅为煤柱提供被动侧向约束;基于充填体接顶条件下与煤柱之间的受力分析,得到了充填体接顶条件下为煤柱提供的主动约束应力表达式,解决了充填体内主动和被动约束带来的拉压应变抵消后难以区分的问题,并利用摩尔-库伦准则得到了充填体不接顶条件下的煤柱破坏强度表达式。

“充填体-煤柱”复合承载体稳定性分析

为研究部分充填开采中"充填体-煤柱"复合承载结构稳定性以沙曲矿4901工作面为工程背景,通过实验室试验探究了复合承载体承载的应力变化及破坏特征,采用数值模拟的方法,将复合承载体分为4类,分析了在不同类型、宽度、高度及不同强度充填体与煤柱下承载体的稳定性。结果表明:随着承载体宽度增加,弹性区宽度明显增大,承载体宽度为30 m比宽度20 m时的弹性区宽度平均增加6.02%左右,宽度为40 m比宽度30 m时的弹性区宽度平均增加约34.35%;4类复合承载体中第Ⅳ类承载体与其他3类相比塑性区宽度相对较小,且随留充比增大始终保持在小范围内波动,稳定性效果最好;随着承载体高度增加,稳定性减弱,但充填体和煤柱强度增大,承载体稳定性增强。

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。

充填体-煤柱承载效应及合理开采参数研究

近年来,充填开采方法作为一种安全高产高效的绿色开采方法被广泛使用,而充填体-煤柱复合支撑体的协同承载作用是部分充填开采的关键。以某矿为研究对象构建复合支撑体结构承载及破坏力学模型,探究复合支撑体协同承载作用过程,并采用FLAC3D模拟垮落法开采及部分充填开采下的应力变化及下沉规律。研究结果表明:(1)复合支撑体水平应力σx与高度呈三次函数关系,与宽度呈二次函数关系;垂直应力σy仅与高度呈现二次函数关系;剪应力τxy与高度呈二次函数关系,与宽度呈一次函数关系;(2)通过理论计算得出采22m留16m充填开采16m的合理部分充填开采参数;(3)通过数值模拟验证,理论计算结果与数值模拟结果基本吻合,复合支撑体应力集中系数减小69%,地表基本不下沉。该研究成果为部分充填开采方法提供了理论依据,对国内大面积"三下"压煤开采及矿区生态环境保护具有参考和借鉴价值。

深部开采充填体与煤柱协同承载效应研究

深井充填工作面矿压显现强度与地表沉陷变形控制效果受充填体强度、充填率、煤柱宽度及充填体与煤柱承载匹配等因素影响,合理的充填体与煤柱协同承载是实现深部煤炭资源绿色开采的关键。为揭示深井充填工作面充填体-煤柱协同承载效应,结合义能煤矿地质生产条件,构建充填体-煤柱承载结构力学模型,探究充填体与围岩相互作用特征、充填体与煤柱协同承载作用过程。采用PFC软件模拟计算“充填体-煤柱”在不同充填率、充填强度条件下的承载特点,揭示超高水充填工作面充填体-煤柱应力分布及覆岩裂隙发育规律。研究结果表明:当超高水充填料充填率超过90%、水灰比低于95%时,煤柱应力集中程度较低,能够保持较好稳定性,顶板破断仅发展至基本顶,充填体-煤柱协同承载有效降低了工作面矿压显现强度与覆岩运移范围,为实现深部煤层绿色开采提供了科学依据。

榆神府矿区覆岩协调沉降开采技术

为研究协调沉降开采中覆盖层的运动破坏规律和导水裂隙发展规律,确定榆神府覆岩协调沉降开采参数,采用相似材料模拟实验研究和煤柱稳定性理论进行分析.模拟实验表明,在覆岩协调沉降开采中,充填煤柱的逐渐失稳使采空区上覆岩层产生协调沉降运动,上覆岩土层进入裂隙带或弯曲下沉带,阻止了导水裂隙带的发展,保护了隔水层的稳定.理论分析表明,所确定的充填煤柱能够适时失稳,支撑煤柱能够保持永久稳定,到达了覆岩破坏协调沉降目的.现场开采实践证明开采参数确定合理.