采空区膏体充填材料特性的实验研究及充填开采数值模拟.pdf

硕 士 学 位 论 文 二〇一四二〇一四 年年 十二十二 月月 作者姓名 张燕凤 指导教师 刘文生教授 学科专业 防灾减灾工程及防护工程 采空区膏体充填材料特性的实验研究 及充填开采数值模拟 Experimental study on goaf paste filling material characteristics and the numerical simulation of filling mining 万方数据 学位论文书脊样式 采采 空空 区区 膏膏 体体 充充 填填 材材 料料 特特 性性 的的 实实 验验 研研 究究 及及 充充 填填 开开 采采 数数 值值 模模 拟拟 张张 燕燕 凤凤 辽辽 宁宁 工工 程程 技技 术术 大大 学学 万方数据 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 作者姓名作者姓名 张燕凤 指导教师指导教师 刘文生教授 申请学位申请学位 工学硕士 学科专业学科专业 防灾减灾工程及防护工程 研究方向研究方向 采矿沉陷灾害理论与控制技术 分类号 TD823.7 学校代码 10147 UDC 622 密 级 公开 辽宁工程技术大学辽宁工程技术大学 采空区膏体充填材料特性的实验研究采空区膏体充填材料特性的实验研究 及充填开采数值模拟及充填开采数值模拟 Experimental study on goaf paste filling material characteristics and the numerical simulation of filling mining 万方数据 关于论文使用授权的说明关于论文使用授权的说明 本学位论文作者及指导教师完全了解辽宁工程技术大学辽宁工程技术大学有关保 留、使用学位论文的规定，同意辽宁工程技术大学辽宁工程技术大学保留并向国家有关 部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，学校 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编本学位论文。 保密的学位论文在解密后应遵守此协议 学位论文作者签名____________ 导师签名_____________ 年 月 日 年 月 日 万方数据 致致 谢谢 光阴似箭，岁月如梭，两年半的研究生生涯即将进入尾声，回首研究生生涯，我深深 感激并感谢那些引导我、帮助我、激励我的老师、亲友、同学 首先我要感谢我敬爱的导师刘文生教授。本论文是在刘老师的悉心指导下完成的，论 文写作过程倾注了刘老师大量心血。在硕士期间，我深深受益于刘老师的关心、爱护和谆 谆教诲。论文选题时，老师引导我应该从哪些方面着手论文写作；室内实验时老师陪着我 四处找实验室、买实验材料；搜集现场资料时，老师与矿上数次沟通„„特别是每当我遇 到难题时，老师总是不厌其烦的予以讲解，细心指导。作为老师，他点拨迷津，让人如沐 春风；作为长辈，他关怀备至，让人感念至深。每每思及此，我常常庆幸能有机会遇上这 么一位既儒雅又学识渊博的老师在此，谨向我最钦佩的刘老师表示我最真挚的敬意和谢 意 同时还要感谢建工学院周梅教授在论文实验部分的悉心指导与建议，周老师专业的知 识、严谨的治学态度让我受益匪浅同时感谢材料学院杨健林老师，谨在此向二位老师表 示衷心的感谢 感谢论文所引文献的作者，是你们无私的贡献，让本论文能够顺利完成 感谢一直关心支持我的同门师兄弟（妹），感谢同寝室友，感谢土木学院 2012 级全 体硕士研究生同学，谢谢你们陪我一路走来给予的帮助及鼓励 感谢母校辽宁工程技术大学，让我人生中最美好的 6.5 年本科及研究生生涯没有虚 度，让我不断拓展知识，充实自己 感谢男友张贺然，在我硕士期间一直关心照顾我，默默帮助我愿今后工作生活一切 顺利 特别感谢我的父母，二老养育、栽培之恩无以为报，他们无私的关爱与照顾是我成长 路上不断前进的动力愿父母身体安康，幸福长寿 由于作者水平有限，文中难免出现不当之处，敬请各位专家、教授批评指正。 万方数据 I 摘摘 要要 煤炭是我国重要的能源资源， 其结构占能源资源的近百分之七十。 然而， “三 下”压煤问题却严重制约着我国煤炭行业的发展。若不能有效解决，将严重浪费 国家能源，而且会给煤矿企业造成严峻的就业压力等问题。 膏体充填开采作为绿色开采技术的重要组成部分，既可以实现不迁村采煤， 又可以控制地表下沉，是释放“三下”压煤的有效开采方法。膏体充填开采控制 地表沉陷的技术关键是充填材料的强度和长期稳定性， 为此论文通过室内实验对 膏体充填材料的原材料性质、充填料浆工作特性、充填体力学特性等进行了深入 研究；以本溪彩屯矿 801 工作面膏体充填开采为实例，采用 FLAC3D数值模拟软 件对膏体充填开采进行了数值模拟研究，取得以下主要成果 （1）自燃煤矸石、粉煤灰特性研究通过筛分实验获得煤矸石颗粒级配， 级配良好，符合充填骨料的要求；通过激光粒度分析仪获得粉煤灰主要粒径为 0.46 μm 30.76 μm；通过 X-射线衍射分析仪（XRD）分析出粉煤灰中含大量玻 璃体；通过 X-射线荧光光谱分析仪（XRF）分析出粉煤灰的化学成分中 SiO2 、 Al2O3、Fe2O3三者含量共占总含量的 89.47，符合作充填材料的基本要求。 （2）水泥矿物成分及水泥胶砂实验研究通过 XRD 知对水泥早期强度起主 要贡献的硅酸三钙和铝酸三钙含量较多； 水泥胶砂实验实测水泥 3 d 强度为 16.96 MPa，28 d 强度为 40.59 MPa，3 d 强度是 28 d 强度的 41.78，早期强度较高。 （3）膏体充填料浆工作特性实验研究通过测定膏体充填料浆塌落度、扩 展度、 分层度及泌水率值来反应膏体充填料浆的工作特性，得出膏体塌落度与扩 展度随粉煤灰掺量、细矸率的增加呈先缓慢上升后下降的趋势，随水泥掺量和质 量浓度的增加呈下降趋势；分层度与泌水率随粉煤灰掺量、水泥掺量、细矸率和 泌水率的增加呈递减的趋势。 （4）膏体充填体力学特性的实验研究通过测定膏体立方体抗压强度来反 应膏体充填体的力学特性，得出抗压强度随着粉煤灰掺量、水泥掺量和质量浓度 的增加而增加，随细矸率的增加，强度先增加后下降。且粉煤灰掺量及水泥掺量 对膏体中后期强度影响较大，质量浓度对早期强度影响显著，细矸率对膏体发展 的整个过程都有影响。 （5）运用 FLAC3D数值模拟软件，结合本溪彩屯矿 801 工作面膏体充填开 采地质采矿条件，建立了数值模型，模拟充填开采后的地表沉陷，获得了工作面 地表沉降值，并将模拟结果和实测结果进行了对比分析。 关键词膏体充填；充填材料；工作特性；力学特性；FLAC3D 万方数据 II AbstractAbstract Coal mine resource is an extremely important energy resource in China. It is not only a momentous energy in China but the vital indispensable material guarantee of normal economic development and social progress. The energy structure of China is “rich of coal, lean, poor of gas”, which decides the important position of coal resource. In the long period, China will maintain this invariant energy production and consumption structure dominated by coal mine. However, the severe “three under” problems of coal is seriously restricting the development of Chinese coal industry. According to incomplete statistics, the amount of “three under” coal mine is about 14Gt. If not effectively resolved, it will shorten the service life of mine, which will not only cause enormous waste of resources for the country, but also bring about the fierce pressure of employment and other issues for coal mining . As an important part of green mining technology, paste filling can not only realize the mining without moving villages, but also effectively control the surface settlement and improve the coal recovery rate, which is the effective mining of resolving “three under” problems. The strength and the long-term stability of paste filling materials is the key to restrict the surface subsidence of paste filling mining technology .In this thesis, use the of laboratory experiment to research the paste filling material’s raw material properties, filling slurry working characteristics, mechanical characteristics. Take Benxi Caitun mine 801 working face of the paste filling mining as an example and use the FLAC3D numerical simulation software to simulate the paste filling mining, which has obtained certain main achievements just as the following 1 Study of the coal gangue and fly ash By means of screening experiments, the particle gradation of coal gangue is good to meet the requirements of filling aggregate; Use laser analyzer to measure the size of fly ash and results show that the particle size is from 0.46μm to 30.76μm . XRD analysis shows that there is a large amount of vitreous in fly ash, which contributes to the high activity of fly ash. XRF analysis shows that the amount of SiO2、Al2O3 and Fe2O3 make up 89.47percent of the total Chemical amount, which can meet the needs of filling materials. 2 Study of the mineral component of cement and the experiment of cement mortar XRD analysis show that the content of 3CaO. SiO2 and 3CaO. Al2O3 is higher 万方数据 III than the normal level, which does the main contribution to the early strength of cement. The experiment of cement mortar test results show that the 28d strength of cement is 40.59MPa and the 3d strength is 16.96MPa, which is the 41.78 per cent of the 28d strength. 3 Experimental study on the working characteristics of paste filling slurry Under different content of fly ash, cement content, the rate of the fine gangue and concentration conditions and through the determination of paste filling slurry slump, expand degree, stratification and bleeding rate, reflect the working characteristics in paste filling slurry. 4 Experimental study of the mechanical properties of paste filling body Under different content of fly ash, cement content, the fine rate of gangue and concentration conditions, use the test of the cube compressive strength of paste filling body to reflect the mechanical characteristics in paste filling body. With the increase of the amount of fly ash, cement and concentration, the compressive strength increased； with the increase of fine rate of gangue，strength increased first and then decreased. And the amount of fly ash and cement content has a greater impact on the later strength and the quality of concentration has a significant influence on the early strength of the paste. The fine rate of gangue affects the whole process of the development of paste. 5 Use FLAC3D and consider the actual geological and mining conditions in Benxi Caitun mine 801 working face of paste filling to establish the numerical model and simulate the surface subsidence to obtain surface subsidence value. Lastly carry out a comparative analysis of the simulation results and the measured results. Keywords paste filling; filling materials; working characteristics; mechanical characteristics; FLAC3D 万方数据 IV 目目 录录 摘 要......................................................................................................................... I Abstract ......................................................................................................................... II 1 绪论.......................................................................................................................... 1 1.1 选题目的与意义............................................................................................ 1 1.2 国内外研究现状............................................................................................ 2 1.2.1 膏体充填开采技术研究现状 ................................................................... 2 1.2.2 膏体充填材料研究现状 ........................................................................... 4 1.3 主要研究内容、研究方法与技术路线........................................................ 6 1.3.1 主要研究内容 ........................................................................................... 6 1.3.2 研究方法与技术路线 ............................................................................... 7 2 膏体充填原材料的矿物及化学成分分析.............................................................. 9 2.1 膏体充填配比原则........................................................................................ 9 2.2 充填原材料的选取........................................................................................ 9 2.3 煤矸石的颗粒级配、矿物成分及化学成分分析...................................... 10 2.3.1 自燃煤矸石粒度分布分析 ..................................................................... 10 2.3.2 煤矸石矿物成分分析 ............................................................................. 13 2.3.3 煤矸石化学成分分析 ............................................................................. 14 2.4 粉煤灰的颗粒特征、矿物成分及化学成分分析...................................... 15 2.4.1 粉煤灰粒径分布分析 ............................................................................. 16 2.4.2 粉煤灰矿物成分分析 ............................................................................. 17 2.4.3 粉煤灰化学成分分析 ............................................................................. 18 2.5 水泥的矿物成分及水泥胶砂试验研究...................................................... 19 2.5.1 水泥矿物成分分析 ................................................................................. 19 2.5.2 水泥胶砂实验 ......................................................................................... 20 2.6 本章小结...................................................................................................... 23 3 膏体充填材料的工作特性实验研究.................................................................... 24 3.1 充填体支撑作用机理分析.......................................................................... 24 万方数据 V 3.2 充填体强度分析.......................................................................................... 25 3.2.1 早期强度 ................................................................................................. 25 3.2.2 后期强度 ................................................................................................. 27 3.3 膏体充填材料工作特性实验研究.............................................................. 29 3.3.1 实验方案 ................................................................................................. 29 3.3.2 实验主要仪器设备 ................................................................................. 30 3.3.3 实验过程 ................................................................................................. 31 3.3.4 实验结果及分析 ..................................................................................... 34 3.4 本章小结...................................................................................................... 43 4 膏体充填材料的力学特性实验研究.................................................................... 44 4.1 实验方案...................................................................................................... 44 4.2 实验设备、方法及过程.............................................................................. 45 4.2.1 实验设备 ................................................................................................. 45 4.2.2 实验方法及过程 ..................................................................................... 45 4.3 实验结果及分析.......................................................................................... 47 4.3.1 实验结果 ................................................................................................. 47 4.3.2 各因素对膏体力学特性的影响分析 ..................................................... 47 4.4 本章小结...................................................................................................... 52 5 膏体充填开采数值模拟研究................................................................................ 53 5.1 彩屯煤矿 801 工作面地质开采条件.......................................................... 53 5.1.1 地层情况 ................................................................................................. 53 5.1.2 煤层赋存情况 ......................................................................................... 54 5.1.3 801 工作面开采技术条件 ...................................................................... 54 5.2 FLAC3D数值模拟软件简介 ....................................................................... 55 5.3 彩屯煤矿 801 工作面充填开采模型建立及参数选取.............................. 57 5.3.1 基本假设 ................................................................................................. 57 5.3.2 数值模拟模型的建立 ............................................................................. 58 5.3.3 本构关系及参数选取 ............................................................................. 58 5.3.4 确定边界条件 ........................................................................................... 59 万方数据 VI 5.4 彩屯煤矿 801 工作面充填开采数值模拟.................................................. 60 5.4.1 模拟方案 ................................................................................................. 60 5.4.2 充填体作用过程模拟方法 ..................................................................... 60 5.4.3 数值模拟结果分析 ................................................................................. 62 5.5 数值模拟与实测结果对比分析.................................................................. 64 5.6 本章小结...................................................................................................... 66 6 主要结论与展望.................................................................................................... 67 6.1 主要结论...................................................................................................... 67 6.2 展望.............................................................................................................. 68 参考文献...................................................................................................................... 69 作 者 简 历................................................................................................................ 73 学位论文原创性声明............................................................................................... 74 学位论文数据集 ....................................................................................................... 75 万方数据 辽宁工程技术大学硕士学位论文 -1- 1 1 绪论绪论 1.11.1 选题目的与意义选题目的与意义 我国煤炭资源储量丰富、分布广阔，是我国重要的能源资源，也是发展国民 经济、促进社会进步不可或缺的重要物质保障。我国“富煤、贫油、少气”的能 源结构特征决定了煤炭在一次能源结构中的重要位置[1]。长久以来，煤炭的生产 和消费的构成比例约占我国一次能源的 70，2010 年煤炭在我国一次能源生产 消费中占 77，按照我国“低碳经济”的发展需求，到 2050 年我国煤炭消费仍 需 3.6 Gt，占当时能源消费总量的 50。因此，我国在未来相当长的一段时间内 将长期保持这种以煤为主的能源生产和消费格局不变。 我国大小煤田遍布全国各地， 煤田上方存在数目众多的村庄、 铁路、 水体等， “三下”压煤问题突出。根据对大中小煤矿的不完全统计，全国“三下”压煤量 约 14 Gt。其中，建筑物下压煤约 8.76 Gt，占压煤总量的 66，严重制约着矿井 的生产和发展。随着城市的快速发展、农村的向外扩张，建筑物下压煤量愈覆愈 多，主要产煤省大多位于平原地带，如鲁、苏、皖、豫、冀等。这里村落集聚、 人口密集，村庄下压煤量大，一些新建矿井