井下充填矸石破碎、供给系统的设计及应用

矸石充填绿色开采需要大量粒度符合要求的煤矸石,为实现井下产出掘进矸石及地面矸石山矸石在井下直接破碎,供应充填工作面,该文介绍了井下矸石破碎、供给系统在花园煤矿的技术实践,具有较高的推广价值。

充填矸石的物理力学性能研究

为了解矸石在充填过程中压实、膨胀等特性对充填效果的影响,对矸石的应力应变曲线、压实度与应力关系、碎胀系数与应力关系进行了试验。试验结果表明:矸石压实应力应变为非线性关系;矸石的压实度与轴向应力呈非线性关系,压实度随着应力的增加而降低;由于破碎间隙的存在,矸石的碎胀系数随着轴压的增加而减小,两者为非线性关系。

巷道充填矸石运动机理及设备应用

由于新三矿孤岛煤柱地质条件复杂,巷道难以支护,需要进行矸石充填,为此建立模型分析了充填矸石的运动机理,确定了设备选型及充填工艺,并进行现场应用,效果良好。结果表明:巷道矸石充填技术既实现了围岩的有效控制,又减少了矸石的排放与污染,经济效益和社会效益显著。

充填矸石夯实模拟试验台的研制及应用

为研究矸石散体在限定空间下经过横向推压之后的固结成型特性,基于充填工作面的充填夯实过程和充填支架捣实机构的工作原理,模拟充填工作面的组成部分,自主研制了一套结构简单操作方便的充填矸石夯实模拟试验台,并应用该模拟试验台研究了推实力和含水量对矸石散体固结成型特性的影响规律。研究结果表明:推实力和含水量对矸石散体的固结成型特性影响呈现正相关,且推实力大于2MPa、含水量为3%时,矸石散体开始表现出明显的固结成型特性。因此,矸石充填夯实模拟试验台的研制及应用,对优化现场矸石充填开采技术提供一定参考意义。

充填矸石粒径级配优选试验研究

以天然煤矸石颗粒级配存在明显缺陷为出发点,通过对不同粒径级配的矸石进行压缩试验得出:矸石粒径越小,矸石散体越容易被压实,呈现出完整弹性体结构的过程越短;在相同的压力条件下,粒径范围较小的理论级配矸石压实效果最好;在实际矸石充填时,充填矸石的粒径并非越小越好,采用粗、细粒径的矸石进行合理搭配,充填效果最佳。

薄煤层充填矸石开采技术研究

随着人们对环境保护和可持续发展认识的提高,"绿色开采"、"洁净生产"和"绿色矿区"已成为当前的研究热点,该文通过221采煤工作面充填开采技术的研究,为相同条件下煤层开采提供了技术依据。

基于AHP熵权TOPSIS模型的矸石充填方案评价和优选研究

煤矸石井下充填是近年来发展起来的矸石绿色处置方法,但不同的充填开采工艺并没有相关的标准、规范,尚未建立完善的评价体系。依据《煤矿充填开采工作指导意见》,针对陕北生态脆弱区本地特点,根据陕西小保当矿业有限公司矸石充填施工方案,提出了基于多因素指标构建的煤矸石充填评价体系。为了使评价指标权重分配合理,采用层次分析法和熵权法相结合的主客观综合赋权法,在兼顾到陕北地区生态环境突出问题的同时减少主观性,使赋权结果科学、合理。最后,将组合赋权结果运用到TOPSIS模型进行决策分析,科学评判出最优施工方案,最终认为地面钻孔充填为最优方案,并实施了200万t/a的煤矸石充填实例进行验证,得出了煤矸石充填的综合成本值。

矸石充填夯实工艺模拟及效果分析

为了研究夯实工艺对夯实效果的影响规律,采用基于离散元的数值模拟方法建立矸石充填工作面空间模型,以ZC1800/14/25型充填液压支架为研究对象,开展矸石充填体多次推压夯实模拟试验,分析了夯实过程中夯实板压强、接顶率和坡面斜率随时间和夯实次数的动态演化规律,对不同目标夯实角条件下多次推压模拟效果进行了对比分析。研究结果表明:目标夯实角为32°时,前4次推压充填体未接顶而夯实力较小,随后的第5~10次推压夯实峰值压强逐渐升高,夯实效果较好;接顶率伴随每次推压和回撤过程呈现一个“心电”形状,目标夯实角不同时,“心电”形状呈现不同形态;当夯实次数为10时,坡面斜率随夯实次数整体上呈现递增趋势,目标夯实角为32°时,第5次推压后,每一个波峰基本都能达到0.99,夯实效果相对最佳。

大倾角采场围岩应力分布及矸石充填特征的倾角效应研究

煤层倾角是造成大倾角采场采动力学行为呈现复杂性、特殊性,诱发众多灾害事故的重要因素之一,为揭示煤层倾角对大倾角采场围岩控制及矿压显现特征的影响规律,采用物理相似模拟和数值计算相结合的研究方法,在综合分析了大倾角工作面顶板破断运移及矸石滑滚充填特征的基础上,利用有限元−离散元(FLAC2DPFC2D)耦合算法建立了不同倾角的大倾角采场耦合数值模型,研究了大倾角采场围岩应力分布及矸石充填特征的倾角效应。结果表明:①采动作用下,大倾角采场顶底板内围岩应力均呈非对称拱形分布,随着煤层倾角增大,拱形垂直应力释放区范围和向上部偏移程度逐渐增大,但水平应力释放区范围和应力值逐渐减小,无论是垂直应力还是水平应力都易在工作面上下端头顶板处出现应力集中,但最大集中应力会随煤层倾角的增大而减小;大倾角工作面顶底板内应力大小和传递方向均存在非对称特征,随着煤层倾角增大,工作面顶底板应力拱高逐渐降低,围岩应力的传递方向以围岩涌向采出空间为主,由初始近似竖直方向逐渐偏转趋于工作面垂向。②工作面顶板破断及矸石的滑滚充填具有时序性和分区演化特性,并随煤层倾角的改变而呈现一定的倾角效应。随着煤层倾角增大,直接顶的初次破断位置将逐渐向工作面倾向上部区域转移,同时由于重力沿工作面倾向的分力变大,矸石沿倾向的充填程度更为密实,但充填长度减小,工作面中上部区域高位岩层的破碎程度和空洞范围增大。③采空区内矸石对围岩的作用机制主要体现在提供侧向应力和竖向支撑2个方面,且受矸石重力作用影响较大,会随煤层倾角改变呈现较强的倾角效应。

基于声发射特征的不同高径比矸石胶结充填柱单轴压缩损伤演化

为研究高径比对矸石胶结充填柱单轴压缩性能的影响,本实验制备了高径比为0.5~4.0的5组圆柱体试件进行单轴压缩试验,同时利用数字图像相关技术(DIC)和声发射进行监测,探讨了不同高径比充填柱的破坏特征.研究表明:矸石胶结充填柱的峰值应力和峰值应变都会随着高径比的增大而减小,并与高径比呈指数关系;充填柱的破坏形式在高径比大于2.0后从整体破坏转为局部破坏,局部应变大于16%可以导致充填柱整体失稳;充填柱的高径比从1.0升高到4.0,损伤程度下降到11%;充填柱在累计振铃计数快速上升区中的破坏占总破坏的比例随高径比的增大从22.6%增加到72.3%,高径比大于2.0时该比例达到40.9%且上升速度加快,破坏的集中程度较高;声发射最终累积振铃计数先随着高径比增大而增大,在高径比为2.0以后开始减小,且高径比对振铃集中出现的位置有较大影响;用声发射能量与振铃计数的比值(E/C)反应能量释放剧烈程度,平均E/C随高径比增大从1.26增大到2.76,高径比大于2.0时峰后能量释放较为剧烈.试验结果可以为结构充填开采中充填柱高径比的选取提供参考.

水泥-粉煤灰基矸石胶结充填体破坏特征及强度形成机制

在煤矿结构充填开采中,不同充填率条件下对矸石胶结充填体强度的需求不同,拟通过改变粉煤灰在水泥–粉煤灰二元胶凝材料用量中的占比(下称“粉煤灰占比”)调控矸石胶结充填体强度,对不同粉煤灰占比(0~90%)矸石胶结充填体进行单轴压缩试验,探明矸石胶结充填体的强度调控范围,结合数字图像相关技术对试样破坏形态进行分析,结合声发射事件对试样脆延性破坏模式进行分析。采用承压筒法和单轴压缩试验分别测定了煤矸石的强度和不同粉煤灰占比水泥–粉煤灰二元胶凝材料的强度,并根据煤矸石的强度与水泥–粉煤灰二元胶凝材料的强度关系揭示矸石胶结充填体的强度形成机制。研究结果表明:矸石胶结充填体强度随着粉煤灰占比的增加而减少,实现了较大的矸石胶结充填体强度调控范围:1.77~30.04 MPa。不同强度范围的矸石胶结充填体试样对应的破坏形态和脆延性破坏模式也不同,材料性质发生了质的变化。随着粉煤灰占比的增加,在破坏形态方面,矸石胶结充填体试样由剪切破坏(0~50%粉煤灰占比)向拉剪复合破坏(60%~80%粉煤灰占比)再向拉伸破坏(90%粉煤灰占比)转变,对应的强度范围分别为20.8~30.04 MPa,5.63~12.35 MPa和1.77 MPa;在脆延性破坏模式方面,试样由脆–延性破坏(0~40%粉煤灰占比)转变为延性破坏(50%~90%粉煤灰占比),对应的强度范围分别为24.64~30.04 MPa和1.77~20.8 MPa。矸石胶结充填体的强度由水泥–粉煤灰二元胶凝材料的强度(1.43~55.5 MPa)和煤矸石的强度(平均强度为4.43 MPa)共同决定。水泥–粉煤灰二元胶凝材料对矸石胶结充填体的强度贡献较大,煤矸石使矸石胶结充填体的强度受限。所得试验结果为结构充填中充填材料的强度选择提供参考。

矸石充填体机械压缩过程及宽条带岩层沉降分析

以亭南煤矿1102宽条带矸石充填工作面为工程背景,采用理论分析、数值模拟、室内试验、现场实测等方法研究了矸石机械压缩过程及岩层沉降规律。结果表明:散体矸石经2 MPa夯实后压缩了27.05%,变成矸石充填体,矸石充填体在可充填空间内机械压缩过程及架后压缩率为(各阶段压缩与可充填空间高度比值):骨架调整段(7.42%),缓慢压缩段(5.39%);机械压缩等价采高为可充填空间高度与矸石充填体2个阶段可充压缩率的乘积;1102工作面矸石充填体在骨架调整段和缓慢压缩段的等价采高分别为0.94 m和1.10 m;1102工作面走向和倾向主断面地表下沉曲线均为“碗”形,骨架调整段到缓慢压缩段过程中,地表变形曲线变化不大,最终最大下沉量分别为39 mm和41 mm。

葫芦素煤矿离层注浆矸石充填浆液制备工艺技术特点

阐述了现有矸石离层注浆充填存在的问题,介绍了葫芦素煤矿离层注浆中采取的改进措施和特点,对矸石浆液的制备工艺、出料矸石粒度的确定、破碎机的选型、球磨机型式和驱动方式的选择、球磨机的检修、设计中应注意的问题进行了有益的探讨,分析了葫芦素煤矿离层注浆矸石充填项目运行后的经济效益和社会效益。

分级添加矸石颗粒的充填浆料流变学特性研究

煤矸石是矿山开采后遗留的固体废物,传统的测坍落度已无法解决煤矸石基充填料浆泵送过程出现的离析、堵管等问题。为此,通过Herschel-Bulkley模型拟合流变曲线,对屈服应力、表观黏度和流变特征等进行系统分析,研究了Talbol连续级配下分级添加矸石颗粒的矸石充填料浆流变学参数变化规律及影响因素。结果表明:1)小粒径范围内连续级配浆料“絮网结构”承载性能更好,非连续级配中大颗粒的配位数比小粒径大,屈服应力更高;2)添加0.5、0.5~1 mm矸石颗粒后,料浆“絮网结构”存在一个临界最大值,是更大粒径矸石颗粒实现悬浮的基础;3)“絮网结构”的承载性能随矸石粒径的增大而减小,表观黏度随剪切速率变化呈现先减小再增加后趋于平缓;4)当γ<50 s^(-1)时,料浆状态呈现剪切稀化或近牛顿流体状态,更易于搅拌和输送。该研究为矿山矸石充填料浆管道输送提供了借鉴。

矸石充填体变形特征研究

为探究矸石充填体的蠕变变形行为,以金辛达洗煤厂矸石与硅酸盐水泥为原料制备矸石充填体试样,研究了不同灰固比与不同水平应力下的蠕变变形特征,分析了试样应变率随时间变化的硬化特征与瞬时变形模量随时间变化的损伤规律,并基于分数阶导数建立了表征充填体变形的蠕变本构模型。结果表明:试样在初始应力作用下会产生不同程度的硬化现象,当灰固比较低或应力水平较高时,充填体试样的蠕变硬化特征越明显;灰固比较大的充填体试样具有更高的瞬时变形模量,抵抗变形的能力更强,而蠕变对于充填体试样瞬时变形模量的损伤作用不受充填体灰固比的影响。采用分数阶导数建立的本构模型可以较好地表征试验中的蠕变变形行为,尤其是瞬时变形模量的硬化规律与黏性系数的损伤规律。

不同加载速率下矸石胶结充填体破坏规律细观研究

基于室内单轴压缩试验,使用颗粒流软件建立了数值模型并标定微观参数,研究了不同加载速率下矸石胶结充填体试样的应力应变曲线规律、微裂纹数量、破坏过程以及微观位移场变化规律。结果表明:随着加载速率的不断增大,试样的峰值强度及弹性模量均不断增加;试样生成的微裂纹数量与加载速率成正比,微裂纹-应变曲线分为裂纹未萌生、裂纹快速增长、裂纹数量稳定3个阶段;试样的破坏过程分为压缩密实、弹性变形、塑性破坏以及残余变形4个阶段;试样微裂纹两侧颗粒发生不同形式的组合破坏,包括拉伸破坏、剪切破坏以及拉伸和剪切共同作用的混合破坏。

矿井采空区矸石充填方案设计与工程应用

矸石充填不仅能够有效解决矸石大量堆砌引发的环境问题,更能有效防治采空区顶板垮落并控制地表下沉。针对矿井采空区地表沉降问题,采用三维地震勘探技术获取了“三带”发育特征,反演了地下采空区空间分布;采用数值计算方法,模拟不同工程参数下采空区矸石充填管道运输特性,分析料浆速度分布以及流动性沉降规律差异性;并设置定向井与垂直井作为对照,进一步开展充填效果现场评估与验证工作。结果表明,2种充填方式有效注浆深度约为煤层顶板以上60 m,其中,定向井有效充填空间内充填率比直井高约40%。因此,基于地面钻孔的采空区矸石充填技术为矸石处理与环境保护提供了有利途径。

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。

煤矸石充填技术在煤矿开采中的创新与应用

煤矸石充填技术是煤矿开采领域的一项重要创新,通过将废弃物煤矸石转化为有价值的充填材料,实现了资源的循环利用和对生态环境的有效保护。该技术不仅能有效支撑采空区,防止地表沉陷,提高资源回收率,还有助于降低地质灾害风险,推动煤矿开采的可持续发展。该技术的创新点包括资源循环利用的理念、多种充填工艺的开发以及相关设备的研发与升级。这些创新使煤矸石充填技术更加灵活多样,能够适应多种不同的开采条件和需求,为煤矿开采行业带来了新的经济增长点和竞争优势。在此背景下,本文将对煤矸石充填技术的创新与应用展开详细的分析和论述。

煤矸石充填开采地表沉陷变形规律研究与分析

煤矸石充填开采是一项顺应煤炭绿色可持续发展、响应国家环保政策的矸石绿色处置新技术。矸石充填开采可以降低采空区顶板垮落的可能性,并对地表沉陷变形起到关键控制作用。为了准确预测煤矸石充填后对地面的减沉效果,以某煤矿为工程背景,首先概述了煤矸石充填系统总体布置,之后通过模拟,对地表沉陷变形规律进行了预测,以期为煤矸石充填开采控制地表沉陷提供参考。结果表明:通过数值模拟计算,某煤矿3211、3212、3213三个工作面充填开采后,预测最大水平变形绝对值为0.41 mm/m,最大倾斜变形绝对值为0.40 mm/m,最大曲率变形绝对值为0.0026 mm/m^(2);实测最大水平变形绝对值为0.61 mm/m,最大倾斜变形绝对值为0.49 mm/m,最大曲率变形绝对值为0.0136 mm/m2,实测数据较预测数据偏大,但偏差不大,且均低于国家Ⅰ级变形指标。研究结果表明:利用数值模拟预测煤矸石充填开采后地表沉降变形是可行的,煤矸石充填开采可以大大减缓地面沉降。