煤铝共采岩层运动与裂隙发育规律的颗粒离散元研究

通过建立“上煤下铝”资源共采颗粒离散元力学模型,研究了煤层长壁式与铝土矿房柱式共采下覆岩应力叠加规律,揭示了煤层顶板压力拱、煤铝层间压力拱及底板压力拱的成拱机制及叠加传递特征,提出了铝土矿柱稳定、部分矿柱失稳及整体性失稳下对应的覆岩运动模式,得到了煤铝共采叠加扰动下岩层运移破坏规律。结果表明:采空区两端铝土矿柱受组合应力拱叠加影响易承压过大而发生失效破坏,继而引发邻近矿柱的联动效应,导致铝土矿上覆岩层大范围切落滑移,覆岩矿压显现剧烈。通过分形几何方法对煤铝共采下覆岩裂隙发育规律进行定量表征,发现当铝土矿柱尺寸较小时,铝土矿房覆岩在采空区两端分形盒维数明显大于岩层未受扰动区,表明铝土矿房覆岩裂隙具有向煤层采空区发育贯通演化的特征。

煤下铝土矿逐巷充填护顶与置换开采方法

我国煤下铝土矿资源储量极其丰富,约占全国铝土矿储量的50%以上,随着国内浅地表铝土矿资源逐渐消耗殆尽,地下铝土矿特别是煤下铝开采将成为铝资源开发的发展趋势和必然选择。针对目前煤铝共采过程中存在的岩层活动相互影响问题,提出煤下铝土矿逐巷充填护顶与置换开采方法:将每个铝土矿柱划分为多条采巷,采巷开采完毕后立即充填以达到及时护顶与控制岩层活动的目的,每条采巷按设计顺序依次进行开采与充填作业,实现铝土矿柱与充填体的置换开采,最终保障铝土矿与上部煤层均正常开采。研究成果成功应用于山西华兴铝业有限公司奥家湾铝土矿,充填接顶效果良好,顶底板位移量控制在20 mm以内,可有效控制铝土矿采后的岩层活动,保障上覆煤层连续性,实现煤下铝土矿对上覆煤层的保护性开采;充填后能及时有效护顶,提高采场整体稳定性,解决常规铝土矿软弱直接顶控顶的技术难题;铝土矿采出率由45%提高至78%,矿石贫化率控制在5.06%,且充填设备小型化、便携化,安装在井下,占地面积小,成本低,整体技术经济效益显著。形成了一套适应于现场的完整的逐巷充填护顶与置换开采技术体系,技术可行、经济性好,可为实现煤铝共采提供技术支持,具有较大的推广应用前景。

真三轴应力下铝土矿力学特性及变形破坏特征

铝土矿地下工程开采过程中岩体处于复杂的三向不等应力状态,中主应力对岩体力学强度特性、变形破坏特征具有重要影响。为研究真三轴应力状态下铝土矿岩石的力学特性及变形破坏特征,基于真三轴试验机对铝土矿岩石开展了不同应力条件下的真三轴压缩试验,分析了不同应力条件对岩石裂纹萌生扩展和破裂模式的影响。研究表明:随着中主应力的提高,岩石峰值强度得到显著强化,脆性特征更加明显,破坏模式随中主应力的提高发生转变,剪切破坏裂隙从沉积层理面扩展至中主应力面,同时岩石原生裂隙对破坏模式存在诱导作用,裂隙多沿着原生裂隙扩展贯通。研究成果增强了对铝土矿岩石力学特性的认识,为煤-铝共采工程中岩石的稳定性控制提供理论依据。