新阳矿长壁充填开采基础研究及应用.pdf

声明 本人郑重声明所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名 煮．鞋 E l 其f l 2 兰丛． 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括①学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；②学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； ⑧学校可允许学位论文被查阅或借阅；④学校可以学术交流为目的．， 复制赠送和交换学位论文；⑤学校可以公布学位论文的全部或部分内 容 保密学位论文在解密后遵守此规定 。 签名 蕴垒日期垫2 ￡5 仝 导师签名日期 婴 i 3 万方数据 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 新阳矿长壁充填开采基础研究及应用 摘要 本文针对长壁工作面充填开采所面临的“高价低效“ 问题，以汾西矿 业集团新阳矿1 0 2 0 3 工作面地质条件为依据，从材料配比优化、采场力学 模型建立、充填数值模拟和充填系统构建四个角度出发，采用室内实验、 理论推导、数值模拟和现场实测等方法互相结合进行了一系列的研究。 首先，以长壁工作面后方条带充填上覆岩层为研究对象，受关键层理 论和弹性地基梁理论启迪，提出构造充填这一概念。将长壁工作面后方充 填区域划分为两个典型区域，并进一步分析了不同区域内的典型结构对采 场矿压及项板控制的影响，加深对条带充填开采的认识，促进构造充填理 论的深入研究。 其次，在对充填原材料进行矿物化学成分分析的基础上，采用响应面 法研究了水泥、细矸率、减水剂3 因素及其交互作用对膏体输送性能和不 同龄期内力学性能的影响，建立了各龄期内圆柱体与立方体试件抗压强度 问的线性关系，并利用满意度函数法对充填材料进行配比优化。 再次，利用F L A C 3 D 数值模拟软件，分析了不同体积充填率条件下， 地表变形与工作面支撑压力的变化情况。模拟结果显示，随着体积充填率 的增加，地表最大下沉值、水平移动值、水平变形、倾斜、和曲率分别由 5 0 0 m m 、1 7 3 m m 、4 ．6 5 m m ／m 、2 ．8 m m ／m 和0 ．0 4 3 X 1 0 弓／m 降低到6 7 m m 、2 3 m m 、 0 ．3 2 m m ／m 、0 ．3 6 m r n m 一和o i 0 0 5 X f 0 一／m 。当采用条带法充填开采时，由于 I 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 条带的支撑，推进过程中上覆岩层可能形成一定的结构，使得地表变形符 合建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程的要求。 最后，结合新阳煤矿1 0 2 0 3 工作面的地质条件，确定新阳矿长壁充填 开采的充填能力，并根据充填能力确定了矸石破碎系统、配比搅拌系统、 管道泵送系统和充填效果评价系统等技术参数和井下1 0 2 0 3 工作面顺槽快 速接换管工艺。 关键词煤矿充填材料，配比优化，构造充填，数值模拟，充填系统 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 T H 匣B A S I CR E S E A R C HA N DA P P L I C A T I O NO FL O N G Ⅵ无札L F I L L I N GM 吸虹N GI NX D n 给N GM ⅡN E A BS T R A C T F a c i n gt h ep r o b l e mo fe x p e n s i v ea n di n e f f i c i e n tb a c k f i l l i n gm i n i n gi nt h e l o n g w a l lf a c e ，b a s e do nt h eg e o l o g i c a lc o n d i t i o n so f10 2 0 3w o r k i n gf a c e ‘i n X i n y a n gc o a lm i n e ，s t a r tw i t ht h eo p t i m i z a t i o no f m a t e r i a lr a t i o 、b u i l d i n go ft h e m e c h a n i c sm o d e l 、t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o na n dt h ec o n s t r u c t i o no fb a c k f i l l i n g s y s t e m ，b yl a b o r a t o r ye x p e r i m e n t s ，t h e o r e t i c a la n a l y s i s ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n a n df i e l dm e a s u r e m e n tm e t h o d sc o m b i n e dw i t he a c ho t h e r ．Im a k eas e r i e so f s t u d i e s ． F i r s t l y ，i no r d e r t os t u d yt h eo v e r b u r d e no ft h es t r i pf i l l i n gi nl o n g w a l lf a c e ， Ip u tf o r w a r dt h ec o n c e p to fs t r u c t u r ef i l l i n gb yl e a n i n gt h et h e o r yo fk e ys t r a t a a n dt h e o r yo fe l a s t i cf o u n d a t i o nb e a m ．T h ef i l l i n ga r e ab e h i n dt h el o n g w a l lf a c e i sd i v i d e di n t ot w ot y p i c a lr e g i o n s , i ti sa n a l y s i s e dt h a tt h ei m p a c to ft h et y p i c a l s t r u c t u r ed i f f e r e n t r e g i o n s o nt h e u n d e r g r o u n dp r e s s u r e a n dr o o f c o n t r o l ，e n h a n c i n gt h eu n d e r s t a n d i n go fm i n i n go fs t r i pf i l l i n g _ ，p r o m o t i n g i n d e p t hs t u d yo ft h et h e o r yo fs t r u c t u r a lf i l l ． Se c o n d l y ，b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h ec h e m i c a lc o m p o s i t i o no ft h em i n e r a l b a c k - f i l l i n gr a wm a t e r i a l s ，r e s p o n s es u r f a c er e g r e s s i o nm o d e l sw e r ep e r f o r m e d 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 t oi n v e s t i g a t et h ei n f l u e n c et h a tc e m e n tc o n t e n t ，f i n eg a n g u er a t ea n dw a t e r r e d u c e rc o n t e n ta n dt h et h r e ef a c t o r so nf i l l i n gm a t e r i a lm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s w i t hd i f f e r e n tc u r i n gp e r i o da n dt h et r a n s p o r tp r o p e r t i e so fp a s t e ．E s t a b l i s h e d t h er e l a t i o n s h i po fc o m p r e s s i v es t r e n g t ho fd i f f e r e n tc u r i n gp e r i o db e t w e e nt h e c y l i n d e rs p e c i m e na n dt h ec u b es p e c i m e na n ds a t i s f a c t i o nf u n c t i o nm e t h o da r e u s e dt oo p t i m i z et h er a t i oo ff i l l i n gm a t e r i a l s ． T h i r d l y ，t h eN u m e r i c a lS i m u l a t i o nS o f t w a r eo fF L A C 3 Di su s e dt oa n a l y z e t h ec h a n g e so fs u r f a c ed e f o r m a t i o na n dt h es u p p o r tp r e s s u r ei nw o r k i n gf a c e f o rt h ed i f f e r e n tv o l u m ef i l l i n g ．T h er e s u l ts h o wt h a t ，W i t ht h ei n c r e a s eo ft h e v o l u m ef i l l i n gr a t e ，t h em a x i m u ms u r f a c es u b s i d e n c e ，h o r i z o n t Mm o v e m e n t v a l u e ，h o r i z o n t a ld e f o r m a t i o n ，t i l t ，a n dc u r v a t u r er e s p e c t i v e l yf r o m50 0 m m ， 1 7 3 m m ，4 ．6 5 m m ／m ，2 ．8 m m ／m ，0 ．0 4 3 X 1 0 ～／mt o6 7 m m ，2 3 m m ，0 ．3 2 m m ／m ， 0 ．3 6 m m ／m ，0 ．0 0 5 X 10 一／m ．W h e nt h es t r i pf i l l i n gm e t h o di su s i n g ，b e c a u s eo ft h e s u p p o r ts t r i p s ，a n dt h eo v e r b u r d e nm a yf o r mac e r t a i ns t r u c t u r ei nt h ep r o c e s so f p r o m o t i n g ，m a k i n gt h es u r f a c ed e f o r m a t i o ni nl i n ew i t h ”t h eb u i l d i n g ，w a t e r ，r a i l a n dm a i n p i l l a rf o rr o a d w a ya n dC o a lM i n i n gp r o c e d u r e s ”r e q u i r e m e n t s ． F i n a l l y , C o m b i n e dw i t l lt h eg e o l o g i c a lc o n d i t i o n so f10 2 0 3w o k ef a c ei n X i n y a n gc o a lm i n e ，i d e n t i f i e dt h ef i l l i n gc a p a c i t yo fb a c kf i l l i n gi nt h eL o n g w a l l f a c e ，d e t e r m i n e dt h es y s t e mo fw a s t er o c kc r u s h i n g ，t h es y s t e mo fm i x i n gr a t i o ， p i p e l i n ep u m p i n gs y s t e ma n df i l l i n ge f f e c te v a l u a t i o ns y s t e m sb yt h ef i l l i n g c a p a c i t y , m a k i n gs u r et h ep r o c e s so fg r a f i i n gt u b er a p i d l y ． K E Y W O R D S m i n ef i l l i n g m a t e r i a l ，t h er a t i oo p t i m i z a t i o n ，s t r u c t u r a lf i l l ， 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，f i l l i n gs y s t V 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 目录 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I A B S T R A C T ⋯⋯．⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．I I I 第一章绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．1 研究背景与意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．2 研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 1 ．2 ．1 充填材料研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．2 ．2 煤矿开采覆岩移动研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 1 ．3 本文研究内容及方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 1 ．3 ．1 主要研究内容及方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 1 ．3 ．2 拟解决的问题⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 第二章长壁工作面膏体充填开采顶板控制机理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 2 ．1 长壁工作面条带充填开采覆岩结构力学模型建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 2 ．1 ．1 模型建立与分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．9 2 ．1 ．2 顶板岩梁的载荷分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯1 0 2 ．2 煤壁一一充填体区域基本顶受力分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 2 ．2 ．1 模型的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 2 ．2 。2I 区顶板岩梁的载荷分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。⋯1 2 2 ．3 充填体一一充填体区域基本顶受力分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 5 2 ．3 ．1I I 区模型的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 5 2 ．3 ．2I I 区顶板岩梁的载荷分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯．1 5 2 ．4 本章小结．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 6 第三章新阳煤矿充填膏体配比优化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 9 3 ．1 充填材料物理化学特性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 9 3 ．2 煤矿膏体材料配比实验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯．2 l 3 ．2 ．1 响应面分析法简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 l 3 ．2 ．2 配比试验设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 2 3 ．2 ．3 实验过程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 3 3 。3 实验结果与分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 4 3 ．3 ．1 充填体强度增长规律分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯．2 5 3 ．3 ．2 充填料浆流变性能分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯3 4 3 ．4 煤矿膏体充填配比优化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 8 3 。4 ．1 优化方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 8 3 ．4 ．2 优化结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯．．3 9 3 。5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 0 第四章长壁工作面膏体充填开采数值模拟研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 3 4 ．1 基于关键层理论的条带充填参数确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 3 4 ．2 数值模拟计算模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 4 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 4 ．2 ．1 数值分析软件的简介与选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 4 4 ．2 ．2 模型的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 4 4 ．2 ．3 围岩力学参数的选取⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 5 4 ．2 ．4 测点布置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 5 4 ．3 数值模拟方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 6 4 ．3 ．1 不同体积充填率⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 6 4 ．3 ．2 相同体积充填率⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 6 4 ．4 数值模拟结果与分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 6 4 ．4 ．1 不同体积充填率⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 6 4 ．4 ．2 相同体积充填率不同布置方式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 1 4 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 4 第五章长壁工作面膏体充填开采工艺系统构建⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．s 7 5 ．1 试验开采区域地质条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 7 5 ．2 充填方法及技术参数确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 8 5 ．3 充填工艺系统组成⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 9 5 ．3 ．1 矸石破碎系统⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 9 5 ．3 ．2 配比搅拌系统⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 0 5 ．3 ．3 料浆泵送系统⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 2 5 ．3 ．4 除尘系统⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯．．6 5 5 ．4 充填综采工艺⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯6 6 5 ．4 ．1 采煤工艺．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯．⋯⋯．．6 6 5 ．4 ．2 充填工艺⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 7 5 ．4 ．3 充填效果检测与验收⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 9 5 ．5 经济与社会效益分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 1 5 ．5 ．1 经济效益⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 1 5 ．5 ．2 社会效益⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯7 2 5 ．6 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 3 第六章结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 5 6 ．1 主要结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯．7 5 6 ．2 研究展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 6 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 7 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 1 攻读硕士期间的学术成果与参加科研项目情况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 3 b 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 ．1 研究背景与意义 第一章绪论帚一早瑁记 煤炭是过去1 0 0 多年来我国的主要能源，为推动社会发展水平和提高国民经济增速 发挥了不可磨灭的作用。进入2 1 世纪以来，随着经济全球一体化进程推进，我国对煤 炭资源的需求进一步增加。党中央和国务院立足于中国能源安全，在能源中长期发展 规划纲要 2 0 0 4 “ - - - 2 0 2 0 年 中明确提出“坚持以煤炭为主体、电力为中心、油气和新 能源全面发展的能源战略”目标【1 】。由此可知，虽然近年来中国煤炭市场受经济下行影 响有所萧条，但煤炭在中国能源结构中的地位和作用举足轻重，不容忽视。在过去煤炭 价格高涨的十年中，由于受到高额利润的影响，煤炭产量己大大超出了煤炭行业在资源、 环境、安全等方面所能承载的能力。据山西省发改委2 0 0 8 年调查结果显示，新中国成 立6 0 多年来，山西省为中国社会发展提供煤量超过1 2 0 亿吨，承担着6 3 亿立方米的采 空区及2 9 7 8 平方公里的地表沉陷区的恶劣后果，存在有2 1 4 6 处的矿山地面塌陷、地裂 缝、滑坡、崩塌等直接威胁着3 3 0 9 个村庄、6 6 万人民群众的生命财产安全【2 J 。至2 0 1 5 年，山西煤炭开采导致1 0 8 2 平方公里的耕地、4 2 ．6 平方公里的林地遭到破坏，预计经 济损失至少达7 7 0 亿元，如不采取有效措施进行遏制，预计至2 0 2 0 年，将新增经济损 失8 0 亿元。 此外，煤炭资源大量开采，导致一批矿井逐步迈入资源枯竭阶段，大多数矿区不得 不面对用传统技术无法开采的“三下” 建筑物下、铁路下、水体下 压煤的问题。据不完 全统计，全国国有重点煤矿“三下”压煤总量约为1 3 7 ．9 亿吨，村庄下压煤总量5 2 ．5 6 亿 吨，建筑物下压煤量占总压煤量的6 3 ％以上【3 】。传统条带式采煤法开采“三下”压煤会引 起一系列问题，主要表现为1 、传统三下条带式开采时，资源的回收率不足4 0 ％，与 充填开采相比，浪费大量入力、物力；2 、三下开采时会破坏上覆岩层中的隔水层，导 致矿区地下水位下降，供水水源枯竭，影响地表自然景观和农业产量；3 、假若“三下”开 采时技术参数设置有所偏差，将导致地表土地资源大面积破坏，严重影响地表建筑物， 威胁人们群众生活、生产安全。 着眼于传统开采所引起的环境问题和“三下”压煤开采的低效问题，钱鸣高院士在 2 1 世纪初提出的绿色开采概念和煤炭绿色开采技术体系框架【4 1 ，成为我国在现阶段煤矿 】 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 面临的难题背景下，发展高资源采出率、环境友好的煤矿开采指导方针。绿色开采将是 2 1 世纪煤矿解决资源与环境突出矛盾的唯一途径，也是未来采矿业发展的大趋势。 膏体充填开采作为煤炭绿色开采技术体系中充填开采的一种特殊开采工艺，其主要 思路是把煤矿开采废弃物煤矸石、燃煤电厂废弃物粉煤灰、水泥和水在地面或井下通过 专用设备加工成不需脱水的牙膏状浆体，利用充填泵或重力作用通过管道输送的井下、 适时充填采空区，支撑上覆岩层、防止或减少地表沉陷，置换“三下”压煤。和大多数新 技术一样，膏体充填的理论研究明显滞后于其工程应用，虽然膏体充填的工艺己基本成 熟，但相关的理论问题仍未得到有效解决。如何进一步提高膏体充填效率，降低充填成 本及解决膏体充填岩层移动过程中的理论问题是该方法能否得到大范围推广的核心问 题。论文选题正是基于这种理论背景，课题目的在于解决膏体充填过程中配比优化、工 作面设计、充填效果分析等问题。 1 ．2 研究现状 1 ．2 ．1 充填材料研究现状 充填开采是煤矿绿色开采技术体系的主要内容之一，充填材料则是充填开采的核心 问题。根据充填材料的不同，目前在我国应用实施的充填采煤技术主要有水砂充填采煤 技术、膏体充填采煤技术、矸石充填采煤技术和 超 高水材料充填采煤技术四种【5 “】。 1 水砂胶结充填采煤技术 2 0 世纪4 0 ．5 0 年代，澳大利亚、加拿大和波兰等国家尝试用水砂充填来解决地表开 采沉陷，达到保护地表建筑物的目的。据统计资料显示，1 9 6 7 年波兰水沙充填采出煤 量占到当年总产量的5 0 ．2 ％。波兰吴杰克煤矿是欧洲最大的水沙充填矿井，水砂充填年 产量约15 0 万吨，典型的水沙充填工作面布置在卡托维兹市国际铁路车站下，工作面倾 斜长2 1 4 m ，走向长2 0 0 m 。 上世纪6 0 年代水沙充填采煤技术首先在我国抚顺、阜新、鹤岗、辽源、蛟河和新 汶等地区推广应用。进入8 0 年代后，分级尾砂充填工艺与技术在我国金属矿山得到更 广泛的推广和应用，而由于煤矿特殊的地质条件要求，专家学者在水沙充填技术的基础 上进行研究改进，开始发展膏体充填采煤技术。 2 膏体充填采煤技术 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 膏体充填采煤技术是指把煤矿开采废弃物煤矸石、燃煤电厂废弃物粉煤灰、水泥和 水在地面或井下通过专用设备a n - r _ 成不需脱水的牙膏状浆体，利用充填泵或重力作用通 过管道输送的井下、适时充填采空区，支撑上覆岩层、防止或减少地表沉陷，置换“三 下”压煤。 为了克服普通浓度胶结充填存在泌水，需要建立复杂的隔排水系统等问题，膏体充 填技术在十九世纪八十年代德国格伦德铅锌矿首先发展起来。随后几年内，德国矿冶技 术公司把膏体材料充填技术应用到煤矿，控制长壁工作面后方冒落采空区的上覆岩层移 动，达到减小地表下沉和处理固体废弃物的目的。二十世纪末，金川公司在金 i l - 矿区 建成了我国首套膏体充填工艺系统，通过利用洗选尾砂、棒磨砂和粉煤灰制各膏体、充 填采空区。膏体充填技术在金属矿日益成熟后就得到了煤矿行业的重视，2 0 0 6 年5 月 我国煤矿首套膏体充填示范工程太平煤矿膏体充填系统工业性试采取得成功。 近些年来，在钱鸣高院士提出的煤炭“绿色开采”理念的影响下，膏体充填采煤作为 一种既能够解决地面矸石堆积、粉煤灰污染难题，又能高效控制地表沉陷，实现煤炭绿 色开采的新技术，在我国东部部分老矿区的“三下”开采中得到了推广应用。充填材料的 选择与配比作为膏体充填采煤的核心问题，直接决定着充填效果的成败，因此，国内外 众多专家学者对此进行了重点研究，并取得了阶段性的成果。常庆粮等r 7 】认为膏体充填 材料配比是膏体充填技术的关键性问题，其采用人工神经网络方法对充填材料配比进行 预测和评价。周华强【8 ，9 】教授论述了充填材料的特性并成功研制出以炉渣为基料的S L 和 以普通水泥为基料的P L 充填胶结料【1 0 1 。孙恒虎【1 1 , 1 2 , 1 3 】教授在仿地成岩理论的启发下， 针对充填胶结材料价格高的问题，发明了用于煤矿充填材料的新型胶结材料凝石。冯 国瑞等【1 4 】研究发现粉煤灰在碱激发的作用下能产生火山灰效应，对充填体起到一定的胶 结作用，在一定程度上改善充填体性能。郭晓彦f 1 5 】通过不断调整各种充填材料配比发现， 水泥是影响充填强度的主要因素；煤矸石的粒径级配直接显著影响着充填膏体的工作特 性和力学特性。吴金刚等【1 6 】提出膏体材料配比实验的考察指标，并确定坍落度、充填体 强度，凝结时间和压缩率等指标的实验方法。高性能外加剂在煤矿充填材料的研究还不 多，而在混凝土和金属矿充填开采方面的应用较多。中南大学王新民教授等【l ‘7 】对减水剂 在金属矿山充填料浆中应用的研究发现，减水剂可以显著提高充填料浆的浓度，但浓度 的提高使得煤矿充填材料粘聚性增强、流动性变差，减水剂掺量需实验调整以平衡流动 性和粘聚性之间的矛盾。刘同有【1 8 】、冯国瑞【1 9 】、蔡嗣经【2 0 1 、李法柱【2 、张新国【2 2 】和史 3 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 俊伟【2 3 】等对特种材料充填技术进行了深入的研究，做出了突出的贡献。 3 矸石充填采煤技术 对于煤炭生产中的固体废弃物煤矸石，早在1 9 世纪5 0 年代的欧洲煤炭行业就较为 普遍的采用煤矸石充填置换煤炭资源。我国在6 0 ．7 0 年代也进行过矸石充填采空区的试 验，但由于当时缺乏岩层控制理论指导和完善的充填设备支持，矸石充填工艺落后，生 产效率低、充填效果差对地表变形控制效果不佳，矸石充填采煤技术并没有得到推广应 用。然而，随着岩层控制理论的完善和生产水平的提高，矸石充填由于具有材料来源广、 充填成本低、充填适应性强等显著优点，近些年来国内外学者开始加大对矸石充填工艺、 矿压显现规律及矸石充填关键设备等问题的研究。M ．G K a r f a k i s 认为煤矸石充填体有足 够的支撑强度控制上覆岩层，尤其是在残留煤柱的被动支护中【2 4 1 。P o p o v i c h 、J ．M 等研 究了适合小煤矿的矸石回填设计，并分析了煤矸石回填后对采煤沉陷和矿井水、地表水 的影响f 2 5 1 。查剑峰‘2 q 通过在某矿对煤矸石进行现场筛分实验，发现矸石存在明显的级 配特征缺陷，充填时需进行配比调整。吴浩【2 7 】从材料的强度和塌落度的角度出发结合均 匀设计理论对矸石材料颗粒级配进行了优化。刘建功等【2 8 】为提高矸石充填效率，在刑东 煤矿使用矸石充填输送机进行矸石充填，大幅提高充填率。张吉雄【2 9 】在刑东煤矿开展巷 采矸石充填技术研究。张振南【3 0 】通过对煤、页岩和砂岩等岩石的强度和压实特性关系进 行研究，发现当相对压力超过O ．5 ．0 ．6 时，其颗粒级配趋于稳定。王有俊【3 1 】分析了矸石 充填的几种可行方法，并指出了每种方法的适用性。刘松玉【3 2 】为研究不同强度矸石体的 压缩特性，采用中型三轴实验机对煤矸石的抗剪强度进行系统实验，得到了煤矸石粗颗 粒 大于5 r a m 含量的对其抗剪强度的影响规律。马占国1 3 3 】分析了饱水状况下，矸石 应力与应变、空隙率、残余碎涨系数的关系，并对自然状态、饱和状态，分粒径探讨了 矸石的蠕变本构方程。 4 超 高水充填采煤技术 高水材料的起源可追溯到2 0 世纪8 0 年代初英国煤炭研究院研发的用于煤矿巷旁泵 送充填的“A q u a p a k ”混合水泥胶结材料，其在高水情况下固结，提供一定的支撑强度。 8 0 年代中期，中国矿业大学在国内率先展开高水材料研究与应用，其在新汶翟镇煤矿 进行的高水充填采煤技术，己达到国际先进水平。高水材料或超高水材料一般由甲、乙 两种成分组成，分别加水配置成具有高流动性的浆体，在即将进入采空区前进行混合通 过特定物理、化学反应能够快速凝结固化成固体的材料。其一般水灰比能达2 ．0 ．4 ．0 ，2 h 4 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 抗压强度可达1 。0 ．2 ．5 M P a ，也可根据不同的强度要求调整甲、乙两成分的掺量。冯光明 [ 3 4 , 3 5 , 3 6 墩授利用首创的超高水充填材料在田庄煤矿、陶一煤矿和邢东煤矿等地试点工业 性实验成功。孙春东、张东升等【3 7 J 采用大尺寸蠕变实验系统和F L A C 3 D 数值模拟对其 蠕变特性进行了实验研究。谢辉、刘长武等1 3 剐利用X 衍射、电子电镜扫描观察高水速 凝材料的水化产物一结石体的微观形貌特征及利用M T S 压力试验机研究含水率对结石 体变形破坏的影响，结果表明，材料受压呈现塑性破坏特征，结石体含水量增加时，其 弹性模量和变形模量均降低，泊松比随含水率变化保持不变。 1 ．2 ．2 煤矿开采覆岩移动研究现状 1 国外研究现状 国外对采场覆岩运动规律的研究可以追溯N - 十世纪初，前苏联工程师许普鲁特针 对从采场上覆岩层移动理论指出采场在一个“前脚在煤壁、后脚在采空区”的“拱”的保护 之下，支架并不是承受上覆岩层的全部重量，煤壁和采空区上方的压力来源于控顶区上 方的岩重。比利时学者拉巴斯结合顶板结构学说和“假塑性体”，提出预成裂隙假说。二 十世纪中期，前苏联学者库兹涅佐夫通过对比相似模拟实验和现场实测结果，认为连续 i 介质理论不适合研究采场上覆岩层结构，提出了铰接岩块假说，切合实际的分析了支架 ’ 和开切眼相互力学作用关系。前苏联阿威尔辛等认为，在煤矿开采过程中上覆岩层会随 j ．，} 着工作面的推进呈现近弹性状态和塑性移动状态。B a r r y N ．w h i t t a k e 等通过对丰富的现场 数据分析后认为，随着工作面推进，冒落岩石的碎胀性和上覆岩层的平衡拱的存在能有 效降低采出空间通过拱上岩层的弯曲传播到地表。波兰学者李特维尼中等例借鉴颗粒体 介质模型，提出了随机介质理论法，用来对煤矿开采引起的岩层或地表下沉进行预计。 2 0 世纪末，石根华与古德曼在构造地质学理论的基础上结金拓扑学和集合论的原理提 出了适用于节理及块状岩体的块体理论【4 0 】。 2 国内研究现状 煤矿井工开采所引起的覆岩移动在地质、采矿等多因素复合作用下，其过程十分复 杂，在一定程度上严重制约着煤矿生产水平的发展。2 0 世纪中期，我国学者在借鉴预 成裂隙假说和铰接岩梁理论的基础上，结合大量现场观测数据，岩层控制理论迅猛发展， 取得了许多国际一流水平的科研成果。中国工程院钱鸣高院士在大量理论推导和现场实 测的基础上先后提出了采场上方砌体梁力学模型、“砌体梁”结构的关键块理论和岩层控 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 制的关键层理论，建立了判别覆岩中关键层位置的实用方法，对采场顶板岩层控制具有 深远的意义【4 1 , 4 2 】。中国科学院院士宋振骐教授等【4 3 , 4 7 】在多年理论研究和现场观测的基础 上，提出了以岩层运动为中心的“传递岩梁假说”，使得矿山压力理论紧密的与实践相结 合，更好的为煤矿安全生产服务。姜福兴教授等【4 8 , 4 9 1 以实用矿压理论为基础结合模糊数 学理论，提出岩层质量指数法，对采场顶板结构进行了定量描述。随着新材料和新设备 的不断出现，二十世纪中后期，充填开采技术被引入我国，国内众多学者针对新工艺条 件下的采场覆岩移动进行了大量有益的研究。许家林1 5 U j 结合关键层理论提出部分充填思 路，建立了条带充填开采设计原则。张吉雄【5 l 】运用弹性地基梁理论分析了关键层弯曲变 形的特征，建立充填综采覆岩关键层力学模型。陈杰1 5 2 】结合弹性地基梁理论和解析方法， 建立了长壁工作面采空区矸石充填顶板岩梁力学模型，对采场矿压显现规律及地表下沉 进行研究。缪协兴【5 3 , 5 4 ] 通过大量实验和理论分析提出“等价采高”的概念，把传统矿压理 论引入分析矸石充填开采时覆岩活动规律。刘长有1 5 5 j 以全采全充为研究背景，结合关键 层理论，确定了充填压缩率对上覆岩层活动的影响规律。李杨【5 6 】利用数值模拟的方法研 究胶结充填开采上覆岩层移动规律和关键层对胶结充填开采的影响。陈邵杰蟑7 】以岱庄煤 矿2 3 5 1 膏体充填工作面为研究背景研究了条带膏体充填开采时覆岩移动规律。李永元 网以充填工作面直接顶为研究对象建立力学模型，提出直接顶破断计算公式。郭爱国等 1 5 9 , 6 0 】针对不同充填条带布置方式开采引起的地表沉陷机理和影响因素进行了研究。刘音 【6 1 】以长壁工作面膏体充填采场覆岩移动规律为研究目标，采用相似模拟发现充填采场覆 覆岩结构主要以拱的形式进行演化。常庆粮【6 2 J 以充填开采时顶板岩层为研究对象，通过 相似模拟和数值计算分析其移动变形过程，明确了充填开采岩层控制的关键。 1 ．3 本文研究内容及方法 1 ．3 ．1 主要研究内容及方法 本文采用理论分析、实验室模拟、现场工业实测等综合研究方法，主要研究以下内