不同水体积比超高水充填材料的支护强度研究.pdf
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1、第 10 期 山 西 焦 煤 科 技 No.102023 年 10 月Shanxi Coking Coal Science&TechnologyOct.2023试验研究收稿日期:2023-08-14作者简介:张艺亮(1990),男,山西晋城人,2014 年毕业于黑龙江科技大学,工程师,主要从事煤矿开采管理工作(E-mail)xf13863218016 不同水体积比超高水充填材料的支护强度研究张艺亮(山西兰花科技创业股份有限公司 唐安煤矿分公司,山西晋城048400)摘要充填开采是解放“三下”压煤的主要采煤技术方法,为解决唐安煤矿建筑物下压煤问题,探究了不同水体积比条件下超高水固结体的力学强度与
2、微观机理。采用 FLAC3D软件模拟分析了不同水体积比超高水充填材料对采场覆岩的支护效果。结果表明:在相同养护时间下,超高水固结体的抗压强度随着水体积比的降低而提升,超高水固结体与养护时间呈现二次函数关系。当水体积比越小时,固结体的微观结构越致密,材料的抗压强度升高。最终确定超高水充填材料的水体积比为94.7%.现场监测表明:轨道巷顶板在监测时间内的最大下沉量为 35 mm,两帮为 30 mm,皮带巷顶板的最大下沉量为 30 mm,两帮为 30 mm,超高水充填材料可以有效地对顶板进行充填支撑。关键词充填开采;超高水充填材料;水体积比;抗压强度中图分类号:TD353文献标识码:B文章编号:16
3、72-0652-(2023)10-0037-04“三下”压煤导致地表工程建设与地下资源开采矛盾突出,严重制约了能源的稳定供应与环境的协调发展1.为解放“三下”煤炭资源,超高水充填、矸石充填与 膏 体 充 填 开 采 技 术 成 为 了 主 要 的 技 术 途径2-5.唐安煤矿为解决 3#煤层建筑物下压煤问题,拟采用超高水充填材料进行充填开采,通过运用实验分析、数值模拟与工程实践等方法探究不同水体积比超高水充填材料的支护强度,为“三下”煤炭资源绿色开采提供工程依据。1充填支护工程概况唐安煤矿现主要开采 3#煤层,平均煤厚 6.09 m,煤层层理明显,节理、裂隙较发育,煤质较好。煤层倾角 37,普
4、氏硬度 f 为 2,容重为 1.43 t/m2.基本顶为细砂岩,平均厚度 4.8 m,完整性较好。直接顶为泥岩,平均厚度 2.7 m,完整性较好。伪顶为泥质页岩,平均厚度 0.4 m,随采随落。直接底为粉砂岩,平均厚度 2.2 m,层理发育。运输顺槽 600800 m 处有一断层,其它地质构造对生产影响不大。3#煤层水文地质条件较简单,工作面水害主要类型有顶板裂隙水、老空水,在巷道低洼处聚集。根据相邻工作面回采期间涌水情况,预计正常涌水量为 13 m3/h,最大涌水量为 45 m3/h.瓦斯含量 3.54 m3/t.煤尘不易自燃,无爆炸危险性。设计区域充填开采影响范围内地表主要以永安村、掌握村
5、、砖窑上村及蔬菜大棚为主,紧邻唐安煤矿分公司办公及生活区,见图 1.图 1充填开采影响区域图充填工作面采用超高水材料袋式充填方法,具体形式见图 2,在液压支架后方与采空区内放置充填袋,并充入超高水充填材料,当充填材料凝固后,便可对上覆岩层进行支撑。图 2超高水充填支护布置方式图2超高水固结体力学强度测试为探究不同超高水充填材料的支护强度,在实验室内配置 92.5%、93%、94.7%、96%,共计 4 种不同水体积比的超高水固结体,测试固结体在 1 d、7 d、14 d、28 d,共计 4 种不同养护时间下的单轴抗压强度,得到强度变化曲线见图 3.图 3不同水体积比超高水固结体力学强度变化曲线
6、图根据图 3 所示,在相同养护时间下,超高水固结体的抗压强度随着水体积比的降低而提升,在养护时间为 114 d 时,抗压强度缓慢增加,在 14 d 以后抗压强 度 逐 渐 趋 于 稳 定。抗 压 强 度 在 水 体 积 比 为92.5%时达到最大为 4.120 MPa,在水体积比为 96%时的抗压强度最小为 1.294 MPa.通过拟合,得到抗压强度与养护时间的函数关系见表 1,根据函数拟合关系可知,超高水固结体与养护时间基本呈现二次函数的拟合关系。表 1抗压强度与养护时间的函数拟合关系表水体积比/%函数关系相关系数92.5y=-0.006x2+0.245x+1.6840.95993.0y=-
7、0.005x2+0.227x+1.4080.96694.7y=-0.004x2+0.152x+0.7500.97296.0y=-0.002x2+0.084x+0.4230.9623超高水固结体微观测试分析为探究不同水体积比超高水固结体的微观结构差异,将养护 28 d 的水体积比为 93.0%与 94.7%的超高水固结体研磨成粉末,利用 Quanta250 型电子显微镜进行微观测试分析,得到两种材料的微观结构见图 4.图 4不同水体积比超高水固结体微观结构图根据图 4 所示,超高水固结体的微观结构主要包括钙矾石与凝胶状物质,当水体积比由 93.0%上升到 94.7%时,钙矾石的密度逐渐降低,同时
8、也导致孔隙度逐渐增加,抗压强度随着孔隙度的变化而削弱,不同形状的钙矾石(针状、棒状)形成了固结体的多孔材料特性。综合分析可知,超高水固结体的强度变化是微观结构变化的结果。当水体积比越小时,固结体的微观结构越致密,材料的抗压强度升高。4超高水充填材料支护效果分析为探究不同水体积比的超高水充填材料对采场覆岩的支护效果,采用 FLAC3D数值模拟软件进行模拟分析,以唐安煤矿 3#煤层为背景,建立长宽高分别为 300 m、180 m、94 m 的数值模型,工作面的开采长度为 200 m,宽度为 110 m.采用摩尔-库伦计算准则,固定模型的左右与前后边界,根据覆岩厚度进行换算,在模型上方施加 15.7
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