基于采掘充机械化胶结充填采煤工艺的绿色开采应用探究

传统的矿山开采方法普遍采用采空区垮落法开采,该方法不仅容易引发矿井水灾、火灾、有害气体及矿尘灾害、顶板灾害等,还易造成地表塌陷、矿震等灾害。为解决矿山既能安全高效开采矿产资源,又能无害化处理固体废物,保护人文和生态环境,还可避免地表塌陷、矿震、透水等地质灾害,又能实现安全、高效、环保开采,我矿经过6年的不懈努力,提出了“采掘充机械化胶结充填采煤工艺技术”,经我矿实际应用,效果显著。

基于CSSA-BPNN模型的胶结充填体动态抗压强度预测

充填采矿法二步骤回采时胶结充填体稳定性受爆破扰动而降低。为快速准确地获得充填体动态抗压强度,利用分离式霍普金森压杆(SHPB)进行了40组不同应变率的单轴冲击实验,以灰砂比、充填体密度、养护龄期和平均应变率作为输入参数,充填体动态抗压强度作为输出参数,建立了一种基于Logistic混沌麻雀搜索算法(CSSA)优化BP神经网络(BPNN)的预测模型,并与传统BPNN和麻雀搜索算法优化的BPNN进行了对比分析。结果表明:CSSA-BPNN模型的平均相对误差为4.11%,预测值与实测值之间拟合的相关系数均在0.96以上,模型预测精度高。CSSA-BPNN模型的均方根误差为0.395 0 MPa,平均绝对误差为0.359 2 MPa,决定系数为0.995 2,均优于另外两种预测模型。实现了对充填体动态抗压强度的准确预测,可大幅减小物理实验量,为矿山胶结充填体的强度设计提供了一种新方法。

玻璃纤维改性煤基固废胶结充填材料性能研究

基于煤矸石、粉煤灰等煤基固废再生资源利用和胶结充填材料性能优化问题,研究了玻璃纤维掺量、长度和养护龄期对煤基固废胶结材料输送性能和力学性能的影响规律,探讨了玻璃纤维增强机理。实验结果表明:玻璃纤维改性煤基固废胶结材料坍落度随纤维长度和掺量的增大而减小,但均大于200 mm,满足输送性能要求;抗压强度和抗拉强度随纤维长度的增大呈先增高后降低,随纤维掺量的增加而增高的变化规律;当玻璃纤维长度为6 mm、掺量为0.3%时,质量分数为79%的煤基固废胶结材料的综合性能最佳;玻璃纤维改性煤基固废胶结材料水化反应后,生成的针状和团状产物填充了材料细小裂隙且附着于纤维表面,能够有效提高材料的力学性能。

基于RHT模型的胶结充填体动力学特性数值模拟研究

胶结充填体作为人工矿柱,在地下爆破开采中经常受到冲击荷载作用,其稳定性受到严重影响。基于RHT(Riedel-Hiermaier-Thoma)损伤本构模型,利用ANSYS/LS-DYNA软件开展不同冲击速率(2、3、4、5 m/s)下不同灰砂比(1∶4、1∶6、1∶8)胶结充填体的SHPB动态冲击数值模拟试验研究,探讨胶结充填体动态抗压强度、强度增长因子、吸收能与冲击速率之间的关系,阐明胶结充填体动态破坏模式及破坏过程。研究结果表明:①胶结充填体试件的动态抗压强度、动态强度增长因子均随冲击速率增加而增大,且相同冲击速率下灰砂比越高,胶结充填体的动态抗压强度越大,但动态强度增长因子越小;②胶结充填体吸收能随着冲击速率增加而逐渐递增,呈线性增长趋势,且灰砂比越高吸收能增长越快;胶结充填体破坏过程表现为试件端部首先出现损伤,轴向、横向裂纹依次出现,裂纹扩展直至贯穿并向内部发展,最终完全破坏,失去承载能力;③以上结论同时验证了RHT模型参数取值的准确性,RHT损伤本构模型的成功应用,为开展胶结充填体动力学特性相关数值研究提供了参考。

多源煤基固废胶结充填体力学及变形破坏特征试验研究

【目的】为研究多源煤基固废胶结充填体的力学特性及变形破坏规律,选择5种典型煤基固废,开展了煤基固废胶结充填体(Coal-Based Solid Waste Cemented Backfill,CBSWCB)的单轴压缩、声发射响应及微观结构测试试验。【方法】分析了CBSWCB单轴抗压强度的影响因素和交互作用,建立了基于交互作用的抗压强度影响因素四维空间可视化模型,结合CBSWCB的声发射及微观结构特征,阐明了单轴压缩条件下的力学演化特征及宏观变形破坏规律,从微观角度进一步论证了CBSWCB承载过程中水化反应机理及宏细观联系。【结果和结论】试验结果表明:(1)单轴抗压强度的主要影响因素是质量分数,而炉底渣掺量的影响程度最小。(2)单轴压缩下CBSWCB的宏观变形破坏由塑性、弱劈裂破坏逐渐向脆性、剪切破坏转化。(3) CBSWCB试件声发射参数演化可以分为上升期、平静期、活跃期、稳定期,声发射累计振铃计数曲线呈现明显的“阶梯状”增长,累计振铃计数在上升期和平稳期内缓慢增加,在活跃期急剧增加,在稳定期逐渐趋于平缓。(4)水泥掺量偏低以及多源煤基固废充填材料属性差异导致水化反应程度有限,水化产物数量较少是CBSWCB单轴抗压强度普遍偏低的主要原因。研究结果可为多源煤基固废用于充填开采提供一定参考依据。

临近胶结充填体矿房爆破参数数值模拟分析

为解决在应用空场嗣后充填采矿法开采矿石过程中爆破对胶结充填体的冲击及损伤问题。以玉溪矿业某一临近胶结充填体的矿房为研究背景,采用ANSYS/LS-DYNA数值模拟软件,分析矿岩在爆破瞬间及后续破碎过程中的应力分布、位移变化和破坏模式等情况。同时结合爆破振动参数,对矿岩破碎效果及周围充填体的损伤程度做出一个量化评估。数值模拟结果验证了爆破参数的合理性。研究结论为优化爆破效果,降低开采过程中爆破对充填体矿柱的损伤,指导后续爆破作业提供了理论依据。

含硫酸盐废水对磷石膏胶结充填体材料性能的影响

鉴于矿山废水处理工艺具有一定的局限性,且磷石膏充填工艺需要消耗大量的水资源,将矿山含硫酸盐废水作为磷石膏充填用水并探讨其可行性。结果表明:废水中的硫酸盐能够促进磷石膏充填体的早期水化反应,进而提升充填体早期强度。当SO_(4)^(2-)浓度从0增加至30 000 mg/L时,充填体7 d强度由0.46 MPa升高至0.63 MPa,提高了37%;14 d强度由0.64 MPa升高至1.03 MPa,提高了61%。这主要跟水化产物钙矾石(AFt)和水化硅酸钙(C-S-H)的形成有关;但随着养护时间的增长,充填体28,60,90 d强度均在硫酸盐浓度为15 000 mg/L时达到最高。过量的SO_(4)^(2-)会干扰水化硬化过程,充填体后期强度因受到钙矾石的膨胀特性以及Na2SO4重结晶等影响而出现下降。研究结果可为矿山废水治理和磷石膏充填工艺优化提供新思路。

考虑压力和温度养护条件的胶结充填体早期强度特性研究

为在实验室模拟矿山原位充填环境的压力、温度等因素对胶结充填体的固结影响,本文设计了一种考虑压力与温度协同控制的胶结充填体养护方法及试验装置。采用该试验装置开展了养护压力与养护温度对胶结充填体早期固结强度的影响研究。结果表明:养护压力、养护温度对胶结充填体早期强度有明显影响;养护压力对充填体早期强度发展有利;随着养护温度升高,胶结充填体强度呈先升高后降低的趋势,养护温度为55℃时,胶结充填体强度呈下降趋势。在养护压力和养护温度的耦合影响下,高温有利于胶结充填体的早期强度发展。

水砂—胶结充填隔离矿柱稳定性及宽度研究

某嗣后充填矿山前期水砂充填泌水效果不佳,充填体富水,随着水砂充填区域增大,开采过程中顶板及上盘稳定性变差,为改善开采安全状态,改用胶结充填,水砂充填区与胶结充填区之间的隔离矿柱是保证未来采矿安全的关键。构建了侧壁承压倾斜矿柱理论分析模型,并采用FLAC3D数值模拟软件对10~15 m宽度水砂—胶结充填隔离矿柱和不同水砂充填体静水压力梯度进行了研究。研究表明:①开采扰动会使隔离矿柱内形成应力集中,且未凝固的水砂充填体会进一步增加矿柱内最大主应力;②矿柱内部应力重分布及水砂充填体水平压力使得矿柱水平变形增加,逐步产生破坏形成塑性区,10~13 m的隔离矿柱不足以保障充填体含水工况下的采场稳定性;③考虑到爆破扰动的影响,在现有富水充填情况下,建议隔离矿柱宽度为15 m;④隔离矿柱宽度15 m时,随着静水压力梯度增加,矿柱内部最大主应力和水平变形会有所增长,但塑性区未发生明显增加,15 m宽的隔离矿柱可以保障后续开采安全。

煤矿连采连充胶结充填体监测技术研究

为了对煤矿连采连充开采胶结充填体状态进行监测,基于连采连充工艺特点和充填体特性,提出了充填体状态监测的5项基本内容,主要包括液位监测、受力监测、强度监测、温度监测和应力监测,研究了各项监测内容的监测技术和监测方案。结果表明,液位监测采用浮标式液位监测技术适应性较好;受力监测采用挡墙压力计进行监测,量程约为150 kPa;强度监测通过实验室测试充填体的强度,并展望了原位强度测试技术;温度监测采用温度传感器来实现;应力监测采用千帕级和兆帕级双通道应力计进行监测。

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.

复杂应力环境下胶结充填采矿法进路开采顺序优化

针对复杂应力环境下胶结充填采矿法进路开采顺序合理性问题,以金川二矿区为例,借助数值仿真软件构建三维数值模型,对不同进路开采顺序下应力场、位移场及塑性破坏区进行分析;在此基础上,采用组合赋权与模糊综合评价相结合的方法对进路开采顺序优化,并开展现场工业试验。结果表明:不同走向进路开采顺序和进路开采空间顺序均对开采区域最大主应力、最大拉应力、垂直位移、塑性破坏区以及临近下一采场最大主应力、垂直位移有一定程度影响;采用下盘至上盘、先开采垂直矿体走向进路的开采顺序时,采场整体开采安全性高,且现场试验效果良好。研究结果可为复杂应力环境下胶结充填采矿法进路开采顺序设计与优化提供理论依据。

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。

不同加载速率下废石胶结充填体的力学特性及破裂特征研究

为研究不同加载速率与骨料粒径级配对废石胶结充填体的力学特性以及破裂特征变化规律;对不同骨料粒径级配的废石胶结充填体进行不同加载速率的单轴压缩试验,分析其力学特性的变化规律;并辅以声发射系统,研究废石胶结充填体内部裂纹的发展演化规律。结果表明:废石胶结充填体的单轴抗压强度与弹性模量随着加载速率的增大呈线性增长趋势;废石胶结充填体的单轴抗压强度与弹性模量随着骨料级配指数的增大呈现先增长后降低的趋势;随着骨料级配指数和加载速率的增大,试样破坏模式由张拉破坏逐渐转变为剪切破坏,破坏程度加剧,完整度降低;试样内部裂纹的发展演化总体分为压密阶段、弹性阶段、稳定扩展阶段及非稳定扩展阶段。

多采空区干式充填与带式胶结充填力学性能数值模拟研究

针对某萤石矿多采空区的工程概况,采用充填法治理采空区过程中提出了带式胶结充填体结构,运用3DEC离散元软件进行数值模拟计算,以空场法下采场的力学性能为基准,对传统废石干式充填与带式胶结充填2种不同充填方式下采空区进行沉降位移场、塑性区、应力场分析。结果表明:空场法下5号矿房顶板与左侧间柱出现塑性区贯通现象,有顶板坍落,间柱溃倒的风险;传统废石干式充填下5号矿房顶板与左侧间柱塑性区面积大幅减少,但是由于废石自身重力作用顶板沉降量增加了12%;带式胶结充填下5号矿房顶板与左侧间柱塑性区仅零星分布于受拉应力较大的临空面,顶板沉降量下降了4.33%,5号矿房上下盘收敛位移较空场法下降了12%。研究表明在不考虑充填成本的情况下,采用带式胶结充填治理多采空区,具有更优良的效果。

黄土-矿渣基新型胶结充填材料强度特性试验研究

为探究黄土-矿渣基胶结充填材料在不同水胶比及养护龄期下的力学性能、破坏模式和能量演化特征,分别对黄土-矿渣基胶结充填材料在4组水胶比和5个龄期条件下进行坍落度试验和单轴压缩试验。结果发现:随着胶结材料水胶比的增大,充填材料的坍落度和扩展度增大;材料的峰值强度与水胶比呈负线性相关关系,与养护龄期呈指数型非线性相关关系;充填材料的破坏模式整体上为剪切破坏,且水胶比越小、养护龄期越长材料破坏程度越大;胶结材料破坏过程可分为压密、弹性、裂纹稳定扩展、裂纹持续扩展和峰后破坏5个阶段。

考虑充填高度和龄期的超细尾矿胶结充填体强度演变模型

目的:受固结应力的影响,采场不同位置的充填体强度存在较大差异。为精细化指导矿山充填作业,需构建考虑充填高度和龄期的充填体强度演变模型。方法:以超细尾矿胶结充填体为研究对象,通过提取不同充填高度处的充填体试样,分析了弹性模量、泊松比及抗压强度随充填高度和龄期的变化规律。结果:充填体的弹性模量随着充填高度和龄期的增长而逐渐增大,而泊松比相反;充填体弹性模量、泊松比和抗压强度随充填高度和龄期的变化均符合指数函数的发展规律;考虑充填高度和龄期的充填体抗压强度演变模型可以用相乘模式的双指数模型进行评估,模型计算值与试验值的误差在10%以内。结论:该强度演变模型的建立,可为矿山充填结构的稳定性评估提供更精确的模型参数。

矿山原位环境尾砂胶结充填体力学性能研究进展

尾砂胶结充填体养护过程受采场原位温度、压力、孔隙水压力等因素影响,导致实验室制备的尾砂胶结充填体试样与相同物料配比的采场原位充填体取芯试样的力学性能存在显著差异。精准预测尾砂胶结充填体在采场原位环境下的力学性能是确保矿山充填配比参数设计合理、经济的重要前提。目前,国内外学者针对单一环境因素对尾砂胶结充填体力学性能的影响取得了丰富的研究成果,但有关多环境因素耦合下尾砂胶结充填体力学性能的定量研究并不充分。系统介绍了采场原位环境下尾砂胶结充填体力学性能的研究现状,从养护压力、养护温度、孔隙水压力和充填体养护装置四个方面介绍了国内外研究进展。首先系统梳理了养护压力、养护温度和孔隙水压力三种采场原位环境因素对尾砂胶结充填体强度影响研究。然后分析了现有充填体养护装置的优缺点。矿冶科技集团在此基础上创新发明了一种“矿山充填原位环境物理孪生试验装置”,该装置能够在室内模拟采场原位环境的温度、压力和孔隙水压力的养护条件,实现采场原位环境因素对尾砂胶结充填体力学性能影响的定量化研究。

矸石胶结充填二级搅拌机优化设计及仿真分析

针对连采连充矸石胶结充填系统在长城六矿的工程应用中,二级搅拌机的出浆口时常堵塞的问题,采用Fluent欧拉多相流模型和可实现性k-ε湍流模型,运用滑移网格法对搅拌机中的固液两相流进行了瞬态模拟,并根据输出结果分析了堵塞原因,确定了优化指标。在此基础上,分别研究了转速、叶片倾角、叶轮直径和叶轮数对搅拌效果的影响,发现:提高转速、在45°以内增大叶片倾角、适当增加叶轮直径和叶轮数有助于改善搅拌效果,缓解堵塞现象,最终将二级搅拌机的优化方案确定为转速75 r/min、叶片倾角34°、叶轮直径1.3 m和5层叶轮,有效降低了罐底固液两相流的密度,提高了出浆口处灰浆的流动性。

软破矿岩条件下胶结充填法转分段崩落法研究及应用

金川集团龙首矿西二采区上部中段充填采场发生失稳事故后,采矿方法由下向分层进路式胶结充填法转为无底柱分段崩落法时,面临着软破矿岩条件下覆盖层形成和采场稳定性问题。采用数值计算和现场试验等方法,对这2个关键技术问题进行了研究。数值模拟结果表明,随着崩落法首采分段回采工作的进行,采场复合顶板经历了破坏裂纹萌生、零星散块冒落、拱形批量冒落和柱塞状整体冒落等阶段,当首采分段回采结束时,顶板复合岩层冒落能够为崩落法采场提供足够厚度的覆盖层,且在崩落法采动地压下软破矿岩采场能够保持稳定。现场工业试验表明,在崩落法采场首采分段采用“阶梯式退采均匀扩展采空区+总量控制出矿”的技术方案,能够安全、高效地形成覆盖层,并通过增补“钢拱架+钢筋网+锚杆”的技术方案,解决在崩落法采动地压下维持破碎矿岩采场稳定性的问题,为无底柱分段崩落法在西二采区的扩大应用奠定了技术基础。