粉煤灰矸石胶结充填体的固化特性与底板稳定性分析

论文摘要

充填采矿法是一种贫化率低、回收率高的采矿方法，在我国矿山中得到广泛应用和普遍重视。尤其在矿山地表不允许破坏、三下开采和有自燃倾向的矿床开采过程中，可以有效控制覆岩运动，防止地表下陷，保持围岩稳定。对于煤矿充填而言，粉煤灰矸石胶结充填开采是我国绿色开采技术的重要组成部分，是解决煤矿开采安全、环境问题的理想途径，是解煤矿矿井“三下”（建筑物下、铁路下、水体下）大量压煤开采问题的迫切需要。为此，本论文通过理论分析、实验室试验、现场检测及数值模拟，对煤矿充填中粉煤灰矸石胶结充填体的基本性能和实际应用进行了系统的研究，获得了大量有价值的成果。本文主要做了以下几个方面的研究：（1）探讨了我国现阶段煤矿充填的主要原材料粉煤灰、煤矸石的现状，并介绍了粉煤灰、煤矸石的定义及形成过程。通过X射线衍射仪、激光散射颗粒粒度分布分析仪等各种化学仪器对曹庄煤矿所使用的粉煤灰和煤矸石材料基本性能进行细致的试验分析，对充填材料的物理化学性质进行了研究与总结，同时研制出一种适合于煤矿充填的新型胶凝材料，即FAC型胶凝材料。（2）通过大量实验室验研究，找出了影响充填体固化强度的诸多因素，如充填体强度与灰料比、质量浓度、扩散度、养护时间、养护方式等因素的关系，还找出了质量浓度与扩散度和容重的变化规律等。并对这些变化规律进行总结，解决了煤矿充填体强度变化的一些基本问题。（3）本章节针对肥城曹庄煤矿81006工作面的现场情况，进行现场的试验观测，分析了现场充填体的受力、变形规律以及充填采煤工作面超前压力真实的变化情况。（4）利用FLAC数值模拟软件，对曹庄煤矿81006工作面Ⅳ区进行有数值模拟，分析Ⅳ区工作面开采后、充填后两种状态下的顶底板应力变化情况和破坏深度情况，以便有效防治由于煤矿底板破坏而引起的突水事故的情况发生。该论文的创新之处在于通过大量实验室试验，找出了影响煤矿充填体质量的一些主要因素，完善了煤矿充填过程中的一些基本理论问题。通过现场检测总结出了采煤工作面充填体的受力及变形规律，充填后工作面的围岩压力分布变化情况。通过FLAC数值软件模拟，分析出煤矿工作面充填后的底板破坏情况，与煤矿工作面开采后但未进行工作面充填的情况作比较，得到一些重要结论，为我国煤矿充填的进一步研究打下了基础。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究的目的与意义
• 1.2 充填采矿法在国内外的研究概况
• 1.2.1 充填采矿法在国内的研究概况
• 1.2.2 充填采矿法在国外的研究概况
• 1.3 充填采矿法中充填材料的研究状况
• 1.4 本文的研究内容与思路
• 第二章 煤矿充填材料的来源与分析
• 2.1 粉煤灰
• 2.1.1 我国粉煤灰的现状
• 2.1.2 粉煤灰的定义及形成
• 2.1.3 粉煤灰的化学成分
• 2.1.4 粉煤灰的矿物组成
• 2.1.5 粉煤灰的物理化学性质
• 2.1.6 粉煤灰的分级标准
• 2.2 煤矸石
• 2.2.1 我国煤矸石的现状
• 2.2.2 煤矸石的定义及形成
• 2.2.3 煤矸石的化学成分
• 2.2.4 煤矸石的矿物组成
• 2.2.5 煤矸石的分级标准
• 2.3 用作煤矿充填的胶凝材料
• 2.3.1 胶凝材料的定义及分类
• 2.3.2 适用于煤矿充填的胶凝材料
• 2.3.3 常用的煤矿充填的胶凝材料
• 2.4 曹庄煤矿充填实验材料的基本性质
• 2.4.1 曹庄煤矿粉煤灰的基本性质
• 2.4.2 曹庄煤矿煤矸石的基本性质
• 2.4.3 用于曹庄煤矿的 FAC 型充填胶凝材料
• 2.5 本章小结
• 第三章 胶结充填体固化强度影响因素
• 3.1 影响胶结充填体强度特性的几个主要因素介绍
• 3.1.1 充填体强度及设计方法
• 3.1.2 影响胶结充填体强度特性的几个主要因素介绍
• 3.2 胶结充填体的力学实验研究与规律分析
• 3.2.1 灰料比一定下浓度对强度的影响规律
• 3.2.2 浓度一定下灰料比对强度的影响规律
• 3.2.3 充填料浆扩散度一定下不同灰料比对强度的影响规律
• 3.2.4 试块强度随养护龄期的变化
• 3.2.5 养护方式不同对充填体强度的影响规律
• 3.2.6 充填料浆扩散度与浓度的关系
• 3.2.7 充填料浆容重与浓度的关系
• 3.3 本章小结
• 第四章 充填采煤工作面的围岩压力分布规律
• 4.1 充填体对围岩的作用机理
• 4.2 曹庄煤矿充填采煤工作面概况
• 4.3 充填采煤工作面固化充填体的受力状态及变形规律分析
• 4.3.1 Ⅰ区段工作面充填体的受力状态及变形规律的观测研究
• 4.3.2 Ⅱ、Ⅲ区段工作面充填体的受力状态及变形规律的观测研究
• 4.4 充填采煤工作面超前压力变化规律
• 4.4.1 Ⅰ区段工作面超前支承压力研究
• 4.4.2 Ⅱ、Ⅲ区段工作面超前支承压力研究
• 4.5 本章小结
• 第五章 底板破坏深度的数值模拟分析
• 5.1 研究背景及意义
• 5.2 矿井底板破坏突水机理的研究现状
• 5.2.1 国外研究状况
• 5.2.2 国内研究状况
• 5.3 基于 FLAC 有限元软件的曹庄煤矿底板破坏深度模拟
• 5.3.1 FLAC 软件原理概述
• 5.3.2 曹庄煤矿 81006 工作面现场概况
• 5.3.3 工作面 FLAC 二维数值模型构建
• 5.3.4 工作面开采 FLAC 二维数值模拟结果分析
• 5.3.5 工作面充填 FLAC 二维数值模拟结果分析
• 5.4 本章小结
• 第六章 结论和展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间所发表的学术论文及科研工作
• 致谢