礦山工程技術(shù)

浙西荷塘組頁巖孔隙結(jié)構(gòu)及分形特征研究

付常青，朱炎銘，陳尚斌

摘要：目的：中國頁巖氣勘探開發(fā)進程近年來迅猛發(fā)展，針對海相頁巖的研究集中在中上揚子區(qū)，且主要為下寒武統(tǒng)筇竹寺組（荷塘組）、下志留統(tǒng)龍馬溪組以及上二疊統(tǒng)大隆組三套頁巖。地處下?lián)P子區(qū)的浙江西部下寒武統(tǒng)荷塘組頁巖因具有厚度大、TOC含量高的優(yōu)質(zhì)靜態(tài)指標(biāo)，可以作為下一步重點調(diào)查勘探區(qū)。因孔隙大小、體積、比表面積、形狀、空間分布以及連通性等孔隙結(jié)構(gòu)要素影響著頁巖氣的賦存特征，對孔隙結(jié)構(gòu)的清晰認識是明確頁巖氣富集規(guī)律的關(guān)鍵。鑒于此，本文對浙西荷塘組頁巖孔隙結(jié)構(gòu)及分形特征進行了研究并揭示了孔隙結(jié)構(gòu)的影響因素，成果可為該區(qū)頁巖氣勘探與評價提供依據(jù)。方法：研究樣品為江山、常山及安吉地區(qū)人工開挖新鮮荷塘組粉砂質(zhì)泥巖及黑色泥頁巖，屬滯留盆地相沉積環(huán)境。頁巖孔隙分類參考國際純化學(xué)和應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會方案，即大孔孔徑大于50 nm，介孔孔徑2～50 nm，微孔孔徑小于 2 nm。高壓壓汞實驗應(yīng)用Micrometrics AutoPore Ⅳ 9510；低溫N2及CO2等溫吸附實驗采用Quantachrome Autosorb-1物理吸附儀；礦物成分測試運用Ultima Ⅳ并參照SY/T 5163-2010標(biāo)準(zhǔn)；FE-SEM觀測運用氬離子剖光技術(shù)和場發(fā)射環(huán)境掃描電子顯微鏡（FEI Quanta 200F）并配合EDAX能譜儀，所拍攝得圖片利用圖像軟件Image J進行處理。對孔徑分布研究中數(shù)據(jù)處理方案為：大于 50 nm的大孔及 20～50 nm介孔運用高壓壓汞實驗數(shù)據(jù)，2～25 nm介孔運用低溫N2實驗數(shù)據(jù)，小于2 nm的微孔運用低溫CO2實驗數(shù)據(jù)。結(jié)果：（1）FE-SEM 觀測結(jié)果表明，頁巖中巖石基質(zhì)孔隙與裂縫均有發(fā)育，且以巖石基質(zhì)孔隙占主導(dǎo)。引入以圖片像素點灰度為識別基礎(chǔ)的Image J軟件對孔隙形態(tài)、規(guī)模及面孔率表征。荷塘組頁巖礦物基質(zhì)孔為微米至亞微米級，裂縫孔隙為微米級，有機質(zhì)孔為亞微米至納米級。荷塘組頁巖各類孔隙形態(tài)均具備分形特征，有機質(zhì)孔分維值最大，裂縫孔隙次之，礦物基質(zhì)孔最小，分別為 1.4376，1.3794和 1.0810。（2）低溫 N2與CO2吸附并結(jié)合高壓壓汞實驗，三者配合共同對樣品進行孔隙結(jié)構(gòu)的綜合表征。荷塘組頁巖階段孔容具有明顯差異，孔隙結(jié)構(gòu)大致可分為3類，除個別樣品外，100～10000 nm孔隙均不發(fā)育，因此缺失此階段孔隙。（3）針對頁巖中不同大小孔隙，分別引入相應(yīng)分形理論對孔隙結(jié)構(gòu)進行研究。荷塘組頁巖各階段孔隙均具有分形規(guī)律?？讖酱笥?5 nm孔隙平均分形維數(shù)為2.9860，孔徑介于4～25 nm孔隙平均分形維數(shù)為2.6339，孔徑介于2～4 nm孔隙平均分形維數(shù)為2.5854。（4）荷塘組頁巖的TOC、黏土礦物及脆性礦物含量均對頁巖孔隙結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。當(dāng)孔徑大于25 nm時，由于有機質(zhì)孔在較大孔徑階段孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜，會造成隨著TOC含量的增大，分維值增加，黏土礦物主要以礦物顆粒之間的粒間孔隙為主，隨著黏土礦物含量的增大，孔隙的分維值將逐漸減小，脆性礦物中石英、長石以及黃鐵礦等礦物因會形成多種孔隙類型，使得脆性礦物含量與分維值呈正相關(guān)關(guān)系；當(dāng)孔徑小于25 nm后，有機質(zhì)孔形態(tài)逐漸從復(fù)雜網(wǎng)狀過渡至蜂窩狀、珠狀等形態(tài)，且隨著孔徑的進一步減小，形態(tài)更為簡單，黏土礦物以層間孔隙為主，形態(tài)相對固定，兩者分形維數(shù)與含量均呈負相關(guān)關(guān)系，而脆性礦物仍然因多種孔隙類型和形態(tài)，造成分形維數(shù)與其含量呈正相關(guān)關(guān)系。結(jié)論：（1）浙西荷塘組頁巖礦物基質(zhì)孔及裂縫孔屬滲流孔，有機質(zhì)孔屬吸附孔，因有機質(zhì)孔面孔率高，而礦物基質(zhì)孔及裂縫孔面孔率低，使其利于吸附氣的富集而欠缺游離氣存儲空間以及氣體的滲流通道；（2）由于與頁巖氣滲流密切相關(guān)的100～10000 nm孔隙基本不發(fā)育，造成荷塘組頁巖運移連通性與滲流條件明顯較差；（3）荷塘組頁巖孔徑大于25 nm的孔隙最具多樣性，孔隙結(jié)構(gòu)最復(fù)雜，4～25 nm次之，2～4 nm最簡單；（4）當(dāng)孔徑大于25 nm時，孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度與TOC含量呈正相關(guān)關(guān)系，當(dāng)孔徑小于25 nm時，呈負相關(guān)關(guān)系，此外，孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度與黏土礦物含量均呈負相關(guān)關(guān)系，與脆性礦物含量均呈正相關(guān)關(guān)系。

來源出版物：中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報, 2016, 45(1): 77-86

入選年份：2016

煤礦高壓噴霧霧化粒度的降塵性能研究

程衛(wèi)民，聶文，周剛，等

摘要：目的：在國內(nèi)煤礦現(xiàn)有的防塵措施中，噴霧降塵具有經(jīng)濟、簡便、實用和效果好等優(yōu)點，已得到廣泛應(yīng)用。對于礦井噴霧降塵，它不僅要涉及噴嘴霧化的性能，還要研究霧滴與塵粒的相互作用。因此，為了提高煤礦噴霧降塵效果，從理論、實驗和現(xiàn)場試驗3個方面研究了噴霧霧化粒度的分布、霧化粒度與粉塵作用的機理、噴霧壓力與霧化粒徑之間的關(guān)系等。方法：對高壓噴霧降塵機理進行了理論分析，采用測試范圍為5～2000 μm的Winner313激光粒度測定儀對霧化粒度進行測定，該儀器是根據(jù)顆粒能使激光產(chǎn)生散射這一物理現(xiàn)象測試粒度分布的。實驗以礦井水為工質(zhì)，加壓設(shè)備將水加壓到設(shè)定的壓力后輸送到噴嘴形成噴霧，選用礦井常用的2.0，1.8，1.5，1.3，1.0 mm共5類直徑的壓力噴嘴；實驗壓力為4，6，8，10 MPa，在不同噴霧壓力下對5類噴霧霧場的霧滴粒徑分散度進行測定。噴嘴1為2.0 mm、噴嘴2為1.8 mm、噴嘴3為1.0 mm、噴嘴4為1.3 mm、噴嘴5為1.5 mm。由于噴嘴是霧化錐形體，為能描述噴嘴不同噴出斷面的粒徑，本次實驗根據(jù)采煤面噴嘴實際應(yīng)用的位置情況共選取了15個測量斷面，得到了噴嘴霧場不同位置的D10，D50，D90，D[3，2]，D[4，3]，Dav平均粒徑分布和680 μm以下的粒徑分布。最后通過現(xiàn)場實測，驗證研究結(jié)果的準(zhǔn)確性，并指導(dǎo)礦井綜放、綜采面支架和煤機外噴霧壓力的優(yōu)選。結(jié)果：提出并驗證了霧化粒度D50的計算式和霧化粒度捕捉最小粉塵粒度的相互關(guān)系式，分析了5種噴嘴4～10 MPa壓力下的霧化粒徑變化情況。實驗結(jié)果表明：（1）5種噴嘴所成霧場霧化粒度的D10，D50，D90，D[3，2]，D[4，3]和Dav值均隨壓力增加而減小，壓力非常顯著地影響霧化粒度，要想獲得較好的霧化效果，須提高霧化壓力，實現(xiàn)高壓噴霧；這也就是對煤機、支架和綜掘噴霧必須加大霧化壓力的原因。（2）在相同壓力下，噴嘴孔徑越小，所形成霧場的霧化粒度越??；噴霧壓力在8和10 MPa壓力時，噴嘴3、噴嘴4和噴嘴5的粒徑分布曲線明顯小于噴嘴1和噴嘴2；噴嘴3、噴嘴4和噴嘴5的D50均已接近50 μm，并與理論分析得出的數(shù)學(xué)關(guān)系式較為一致。根據(jù)理論、實驗數(shù)據(jù)和綜放工作面煤塵實際測定的粒徑分布，確定了該面的噴霧降塵壓力和噴嘴型號，通過現(xiàn)場應(yīng)用，煤機外噴霧和支架噴霧壓力從2 MPa提高到8 MPa后，移架工序的全塵由 536.2 mg/m3降到 97 mg/m3。結(jié)論：（1）從理論、實驗和現(xiàn)場試驗 3個方面給出高壓噴霧霧化粒度能有效降塵，提出了霧化粒度D50的計算式和霧化粒度捕捉最小粉塵粒度的相互關(guān)系式，指出噴霧霧化粒度隨壓力增加而變小的規(guī)律。（2）對于礦井噴霧降塵，它不僅要涉及到噴嘴霧化的性能，還要研究霧化液滴與塵粒的相互作用，比單純霧化更復(fù)雜。霧化粒度直接影響了噴霧降塵性能，因此，霧化粒度可作為噴霧降塵用噴嘴與壓力優(yōu)選的重要指標(biāo)，本文的研究結(jié)論可為該指標(biāo)的如何使用提供了依據(jù)。（3）根據(jù)現(xiàn)場實際情況，確定了8 MPa為較優(yōu)的高壓噴霧壓力，提高了噴霧降塵效果，降低了粉塵濃度。

來源出版物：中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報, 2011, 40(2): 185-189

入選年份：2016

掘進面噴霧霧化粒度受風(fēng)流擾動影響實驗研究

聶文，程衛(wèi)民，周剛，等

摘要：目的：噴霧霧化粒度的大小對捕集、沉降粉塵起著至關(guān)重要的作用。噴霧霧化粒度的大小受多種因素的影響，其中，風(fēng)流直接影響了噴嘴的霧化、降塵效果，掘進面均為有風(fēng)作業(yè)，為此進行模擬實驗，以確定掘進面風(fēng)流擾動前后噴霧霧化粒度的變化規(guī)律。方法：設(shè)計了可仿真煤礦掘進面風(fēng)流、噴霧等狀況的噴霧霧化粒度測量實驗系統(tǒng)。該系統(tǒng)由基于Mie散射理論以及匯聚光傅立葉變換技術(shù)的Winner312工業(yè)噴霧激光粒度分析儀、實驗箱、風(fēng)機、噴霧增壓泵等構(gòu)成。選用目前煤礦掘進面常用、霧化效果較好的2種含X形導(dǎo)流芯混合壓力式噴嘴作為實驗噴嘴，1#噴嘴為廣角旋口，孔徑1.6 mm，霧流形狀為實心圓錐；2#噴嘴為平口，孔徑1.5 mm，霧流形狀為實心圓錐。通過調(diào)節(jié)風(fēng)機和噴霧泵，設(shè)定實驗箱平穩(wěn)段內(nèi)的風(fēng)速分別為0和掘進面的一般風(fēng)速0.4 m/s，噴霧壓力為2～8 MPa。在實驗箱內(nèi)部空間共設(shè)置了6個測點，以測得霧場的粒徑分布情況。結(jié)果：實驗結(jié)果表明，（1）風(fēng)速為0時，隨著水壓的增加，1#和2#噴嘴在6個位置處的霧滴粒徑均不斷減小，說明水壓增大致使噴嘴噴射液滴的破碎程度增大，霧滴粒度隨壓力的增大而減小。在4種壓力下，2種噴嘴所成霧場的霧滴粒度隨與噴嘴軸向距離的減小而減小。在噴嘴所成圓錐型霧場的軸向橫截面上，霧滴粒度由中心向兩側(cè)不斷減小。隨著距噴嘴軸向距離、軸向橫截面中心的增大和噴霧壓力的減小，相對尺寸范圍△s呈現(xiàn)減小的趨勢，這說明霧滴體積分布易在較大顆粒的范圍內(nèi)趨于均勻。（2）受速度為0.4 m/s的風(fēng)流擾動影響后，霧滴粒度總體有所增大，霧滴的體積更加趨于均勻，霧滴粒度總體有所增大，相對尺寸范圍△s平均值減小了 0.06，但是，D10平均值減小了1.12%，粒徑在23 μm以下的霧滴有所增加，霧場軸向橫截面中心處的霧滴粒度減小了 6.38%～8.51%。產(chǎn)生以上現(xiàn)象的主要原因是風(fēng)流擾動增大了霧滴發(fā)生第2次霧化的強度，霧滴破碎程度增大，致使霧滴粒度相對于風(fēng)速為0時有所減小，但是，風(fēng)流擾動又增加了霧滴之間相互碰撞的概率，使霧滴相互碰撞、凝結(jié)成更大霧滴的可能性增大，這又導(dǎo)致霧滴粒度總體有所增大。利用實驗結(jié)論對掘進機外噴霧系統(tǒng)進行了改進，改進措施Ⅰ：采用增壓泵將水壓由2 MPa增至8 MPa，16個1#噴嘴距截割頭的距離由1.55 m移至1 m；改進措施Ⅱ：在改進措施Ⅰ的基礎(chǔ)上調(diào)整噴嘴的角度，使霧場軸向橫截面中心正對著截割頭與煤的結(jié)合部?，F(xiàn)場試驗結(jié)果顯示，采用以上2種措施后，相對于改進前，全塵、呼塵的平均降塵率分別為49.4%，47.2%和60.5%，62.8%。結(jié)論：（1）風(fēng)流影響了掘進面噴嘴的霧化、降塵效果，依據(jù)可仿真煤礦掘進面的噴霧霧化粒度測量實驗系統(tǒng)，確定了掘進面風(fēng)流擾動前后噴霧霧化粒度的變化規(guī)律。（2）揭示了受掘進面風(fēng)流擾動后噴霧霧場不同壓力、位置處的霧滴粒度變化狀況，在掘進面噴霧降塵采取對掘進機外噴霧噴嘴參數(shù)進行優(yōu)化后，噴霧降塵效率相對于改進前提高了60%以上。

來源出版物：中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報, 2012, 41(3): 378-383

入選年份：2016

松軟突出煤層新型鉆進技術(shù)研究

王永龍，孫玉寧，翟新獻，等

摘要：目的：瓦斯抽采是防治瓦斯災(zāi)害、保證煤礦安全開采的根本舉措。松軟突出煤層瓦斯治理主要依靠井下抽采，井下抽采以鉆孔施工最為關(guān)鍵。松突出煤層深孔鉆進是井下瓦斯抽采公認難題，松軟煤層鉆進存在著“鉆孔淺、效率低、事故多”的技術(shù)難題，嚴重影響瓦斯抽采效率，制約煤礦安全高效開采。本文提出具有雙動力排渣特性的低螺旋鉆桿，并應(yīng)用數(shù)值模擬的方法對鉆桿表面凸棱結(jié)構(gòu)及鉆桿強度進行優(yōu)化分析，以期獲得排渣效率高、強度可靠的鉆桿結(jié)構(gòu)參數(shù)，從而有效提高軟煤層鉆進深度和鉆進效率，保障松軟突出煤層安全高效開采。方法：針對鉆桿具體應(yīng)用情況，建立低螺旋鉆桿排渣模型，分析了低螺旋鉆桿螺旋凸棱的寬度和螺距的變化對排渣效果的影響情況；結(jié)合鉆桿在實際應(yīng)用中配套鉆機的動力參數(shù)，對低螺旋鉆桿進行強度分析。結(jié)果：建立螺距為s＝75，80，85，90，95，100 mm 6種鉆桿排渣型，通過對比不同螺距鉆桿排渣速度云圖，當(dāng)螺距s＝80 mm時，核心速度值達到0.41 m/s，排渣速度最高，螺距s＝80 mm為最優(yōu)參數(shù)；建立螺旋凸棱寬度為l＝10，12，14，16 mm鉆桿排渣模型，通過對比不同螺旋凸棱寬度觀測線長度-速度關(guān)系圖，當(dāng)螺旋凸棱寬度l＝14 mm時，排渣速度值的整體分布較高，螺旋凸棱寬度l＝14 mm為最優(yōu)參數(shù)；考慮鉆桿承受拉力和扭力兩種交變應(yīng)力作用，建立鉆桿強度分析模型，基于鉆桿接觸面螺旋線最大主應(yīng)力分布圖，螺旋線上最大主應(yīng)力在1.6 e8 N/m2與2.6 e8 N/m2之間波動，未超出材料的屈服強度值，基于鉆桿接觸面螺旋線安全系數(shù)分布圖，鉆桿強度的最小安全系數(shù)為1.87，鉆桿加工參數(shù)設(shè)計合理。結(jié)論：研究表明，低螺旋鉆桿表面螺旋凸棱的寬度和螺距的變化對排渣效果具有一定的影響，建立不同螺旋凸棱參數(shù)鉆桿排模型，采用數(shù)值分析的方法，獲得螺旋凸棱的最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)，有利于充分發(fā)揮低螺旋鉆桿流體與機械排渣的最佳性能。結(jié)合河南大峪溝煤業(yè)集團華泰煤礦掘進工作面鉆孔施工困難問題，提出應(yīng)用低螺旋鉆桿、提高鉆機動力相結(jié)合的技術(shù)方案，工業(yè)性試驗結(jié)果表明，掘進工作面鉆進深度、鉆進效率有了大幅度的提高。

來源出版物：采礦與安全工程學(xué)報, 2012, 29(2): 289-294

入選年份：2016

礦用U型約束混凝土拱架軸壓短柱試驗研究及應(yīng)用

李為騰，王琦，王德超，等

摘要：目的：礦用 U型鋼支架在深部/軟巖巷道支護中得到大量應(yīng)用，然而特殊的截面形式?jīng)Q定了U型鋼與圍巖近似線接觸而造成顯著應(yīng)力集中，截面極易因?qū)拸堊冃螌?dǎo)致抗彎剛度衰減，進而使拱架整體喪失承載作用。受鋼管混凝土結(jié)構(gòu)“力的共生”效應(yīng)啟發(fā)，將礦用U型鋼的開口側(cè)進行封閉并充填混凝土，形成U型約束混凝土（簡稱 UCC）拱架支護結(jié)構(gòu)，為難支護巷道提供了一種新型可選支護形式。本文旨在通過開展U型約束混凝土短柱軸壓試驗，掌握新型支護結(jié)構(gòu)的基本力學(xué)特性，并基于現(xiàn)場試驗論證新型支護結(jié)構(gòu)的有效性。方法：（1）設(shè)計了2大類軸壓短柱試驗方案：U型鋼（U25，U29和 U36）短柱軸壓試驗和 U型鋼約束混凝土（UCC25、UCC29和UCC36）短柱軸壓試驗。UCC短柱試件封板厚度為10 mm，充填混凝土標(biāo)號為C40。試驗在1000 t壓力機上進行，采用分級加載制，至試件最終破壞；試驗過程中，除了監(jiān)測試件的受力、軸向變形、鋼管局部應(yīng)變外，還通過聲發(fā)射系統(tǒng)監(jiān)控內(nèi)部混凝土的破裂演化情況?；谠囼灁?shù)據(jù)，從變形破壞形態(tài)、N-ε（荷載—應(yīng)變）曲線、極限承載力及聲發(fā)射響應(yīng)特征等方面，對比分析U型鋼約束混凝土短柱的軸壓力學(xué)特性。（2）選取趙樓煤礦第二集中軌道下山（埋深1000 m）大斷面巷道開展U型約束混凝土拱架的現(xiàn)場對比試驗，與常規(guī)U型鋼支護段巷道圍巖變形數(shù)據(jù)進行對比分析，論證新型支護方案圍巖控制效果。結(jié)果：（1）試件變形破壞形態(tài)：U型鋼短柱在軸向荷載作用下整體出現(xiàn)明顯的彎曲失穩(wěn)，且截面耳部變形最為嚴重；UCC短柱呈現(xiàn)出剪切滑移和多折腰鼓形的破壞形態(tài)，均為整體的塑性失穩(wěn)破壞。（2）試件軸向荷載—應(yīng)變曲線：U型鋼短柱的N-ε曲線呈由上升到最終平緩下降的3階段形式，有下降段；UCC短柱的N-ε曲線呈由上升到最終平緩上升的4階段形式，無下降段。（3）試件承載力：3種UCC短柱的極限承載力相對 U型鋼短柱提高值分別達到127%，196%和142%，UCC25截面用鋼量與U36基本相同，但軸壓承載力是U36短柱的1.6倍。（4）核心混凝土聲發(fā)射響應(yīng)規(guī)律：聲發(fā)射活動先后經(jīng)歷了孕育期→活躍期→趨穩(wěn)期→消寂期4個階段，極限荷載的68%～79%階段為聲發(fā)射活動的活躍期。（5）現(xiàn)場對比試驗：40 d時UCC拱架支護巷道頂板沉降量僅為U型鋼拱架支護巷道的 21.8%，兩幫收斂量為后者的 18.9%，且 U型鋼拱架支護巷道仍未穩(wěn)定，變形還在持續(xù)；此時已有部分U型鋼拱架出現(xiàn)局部屈曲狀態(tài)，而UCC拱架尚未見到上述現(xiàn)象和跡象。結(jié)論：（1）試驗現(xiàn)象和N-ε曲線表明，UCC短柱呈現(xiàn)整體的塑性失穩(wěn)，避免了常規(guī) U型鋼短柱的彎曲失穩(wěn)破壞，具有較好的延性和后期承載能力。（2）UCC短柱軸壓承載能力是對應(yīng) U型鋼短柱的 2～3倍，承載力和經(jīng)濟性均得到顯著提高。（3）聲發(fā)射活動與 4階段變形破壞過程（N-ε曲線）表現(xiàn)出一致的對應(yīng)關(guān)系，可以將N-ε曲線B點作為判斷核心混凝土整體破壞的標(biāo)志點，為核心混凝土破裂機理及其與約束鋼管的耦合性能優(yōu)化等研究提供有效手段。（4）現(xiàn)場試驗結(jié)果直觀表明，UCC拱架對圍巖變形的控制效果明顯優(yōu)于常規(guī)U型鋼拱架，為深部、軟巖等難支護巷道提供了一種新型有效的支護形式。亮點：（1）針對常規(guī)U型鋼拱架的不足，借鑒約束混凝土原理，提出了U型約束混凝土拱架支護結(jié)構(gòu)。（2）開展了短柱軸壓對比試驗，掌握了U型約束混凝土結(jié)構(gòu)的基本力學(xué)特性，其承載力是常規(guī)U型鋼試件的2～3倍。（3）在千米深井巷道進行了現(xiàn)場支護對比試驗，U型約束混凝土拱架支護的有效性得到證實。

來源出版物：采礦與安全工程學(xué)報, 2014, 31(1): 1-9

入選年份：2016

充填回收房式煤柱采場煤柱穩(wěn)定性分析

安百富，張吉雄，李猛，等

摘要：受制于該地區(qū)落后的地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展及技術(shù)裝備水平，神東礦區(qū)過去長期采用房式采煤法開采，遺留了大量煤柱于井下，形成呆滯煤量。這不僅造成了國家煤炭資源巨大的資源浪費，而且容易引發(fā)礦井火災(zāi)、礦震等災(zāi)害。如何安全高效回收房式煤柱已成亟待解決的重大科學(xué)與工程技術(shù)難題。日趨成熟、可有效控制巖層移動、減少地表沉陷的機械化固體充填采煤技術(shù)為該目標(biāo)的實現(xiàn)提供了一條安全有效的技術(shù)途徑。充填回收房式煤柱，充填體作為主要支撐體參與了覆巖移動控制過程，承載和分擔(dān)部分覆巖壓力，從而減少回采過程中煤柱失穩(wěn)的可能性。采用充填物料置換房式遺留煤柱時采場前方為不連續(xù)煤柱、采空區(qū)內(nèi)為充填體，其圍巖應(yīng)力分布規(guī)律將不同于現(xiàn)有的垮落法或長壁充填開采，已有理論無法直接采用，其采場圍巖應(yīng)力分布及煤柱變形特征亟待研究。為了提供充填回收房式煤柱采場圍巖穩(wěn)定性分析的理論依據(jù)，在系統(tǒng)分析固體充填回收房式煤柱的技術(shù)原理和整體系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)上，本文采用理論分析和數(shù)學(xué)推導(dǎo)的綜合研究方法對采空區(qū)充填體—房式煤柱共同支撐下的頂板力學(xué)結(jié)構(gòu)進行了研究。研究中取工作面推進方向中部位置的充填體、煤柱及頂板作為研究對象，通過將覆巖作用簡化為均布載荷，房式煤柱和充填體簡化為彈性地基，頂板視為兩端固支梁，從而建立起了充填體-煤柱-頂板相互作用的彈性地梁模型，并推導(dǎo)出了頂板變形和采場應(yīng)力分布的通解，給出任意位置煤柱受力的計算公式。在分析工作面前方煤柱和煤房區(qū)域應(yīng)力分布特征的基礎(chǔ)上，確立了該區(qū)域的彈性地基系數(shù)的計算方法；根據(jù)頂板下沉與充填體之間的耦合關(guān)系，得到了充填體彈性地基系數(shù)與采空區(qū)充實率的關(guān)系式，進而建立了充實率、煤房支護強度與煤柱穩(wěn)定性之間的關(guān)系式。研究發(fā)現(xiàn)：煤柱區(qū)域彈性地基系數(shù)、采空區(qū)充實率、頂板抗彎剛度、覆巖載荷是影響煤柱穩(wěn)定性的主要因素。其中煤柱和煤房區(qū)域彈性地基系數(shù)、充實率為可控制因素，且二者與煤柱的穩(wěn)定性成正相關(guān)，可通過注漿加固煤柱、增加煤房支護強度、提高充實率的方法確保煤柱穩(wěn)定。結(jié)合工程實際，應(yīng)用本文的力學(xué)模型繪制了榆林板定梁煤礦CT305風(fēng)積沙充填回收房式煤柱工作面回采全過程的采場支撐應(yīng)力演化圖，發(fā)現(xiàn)：最大支承應(yīng)力隨工作面推進呈先升高后降低的趨勢，并校驗了選取的風(fēng)積沙充填物料和工作面前方煤房支護的設(shè)計強度條件下采場煤柱的穩(wěn)定性，給出了固體充填回收房式煤柱采場煤柱的穩(wěn)定性計算方程組和工程設(shè)計指標(biāo)的校驗方法，該研究成果不僅有助于保證回收房式煤柱期間的作業(yè)安全，同時總結(jié)出了充填回收非連續(xù)分布的煤體這一新情況下圍巖應(yīng)力分布特征的體系方法，對充填采煤技術(shù)圍巖控制技術(shù)發(fā)展及其理論體系的完善具有一定的理論和現(xiàn)實意義。

來源出版物：采礦與安全工程學(xué)報, 2016, 33(2): 238-243

入選年份：2016