大高宽比混凝土巷旁充填体力学特性与沿空留巷围岩稳定性研究

摘要

近年来，随着我国煤矿建设日趋现代化和高效化，采掘接替紧张问题日益凸显，使得煤柱损失小、掘巷少的沿空留巷技术在工作面交替布置时频频被各大煤矿采用。本文采用现场调研分析、理论分析、数值模拟计算、实验室试验和工业性试验等方法，针对潞安矿区高河煤矿综放工作面混凝土材料巷旁充填沿空留巷围岩稳定性控制问题，通过计算基本顶侧向断裂位置，为沿空留巷覆岩结构类型和沿空留巷内承载结构模型的选取提供依据；根据覆岩结构与内承载结构相互作用和内承载结构组成部分承载能力计算，为沿空留巷围岩稳定性控制提供了指导；在此基础上，针对巷旁充填材料早期强度低、成本高的问题，结合潞安集团煤制油炉渣开发了新型巷旁充填材料，有效提高巷旁充填材料早期强度，降低了材料成本。上述部分研究成果成功应用于高河矿W1319工作面和E1303工作面沿空留巷工程中。本文的主要取得如下成果： （1）调研了潞安集团大高宽比混凝土沿空留巷充填体破坏特征，统计了巷旁充填体的五种破坏形式：中上部轻度破碎，中上部严重破碎，贯穿裂缝、严重破碎，充填体倾斜失稳和下部破碎，发现以第二和第三种破坏形式为主；分析了巷旁充填体变形破坏的原因，通过现场实测数据发现了巷旁充填体状态与沿空留巷围岩稳定性之间存在较强的关联性。 （2）建立UDEC数值模型研究了断裂位置对沿空留巷围岩稳定性的影响，提出了巷旁充填体与煤帮共同承载的内承载结构力学模型，计算了沿空留巷阶段和二次采动影响阶段内承载结构的载荷；分析了基本顶断裂位置超出锚固强化区、位于锚固强化区、位于非均匀压缩带、位于巷道或巷旁充填体上方和位于巷旁充填体外侧五种内承载结构巷旁充填体承受的载荷。 （3）为确定沿空留巷内承载结构形式，建立了沿空留巷基本顶侧向断裂力学模型，求解了基本顶断裂位置，并探索了Winkler地基系数、基本顶弹性模量、巷旁充填体分布载荷及宽度、基本顶断裂跨度等因素对基本顶断裂位置的影响。 （4）提出了采用轴心抗压强度作为大高宽比混凝土巷旁充填体的强度指标；建立PFC细观数值模型研究了常规巷旁充填体的尺寸效应，拟合得出了常规巷旁充填体强度尺寸效应修正系数；研究了沿空留巷积水浸泡环境下巷旁充填体强度变化特征和机理；提出了大高宽比混凝土巷旁充填体承载能力计算公式，指导了沿空留巷围岩稳定性分析与控制。 （5）针对前期研究并未解决的巷旁充填材料早期强度不足，成本高的问题，结合潞安集团煤制油炉渣固废处理问题，开发了新型混凝土材料与专用外加剂， 新型混凝土材料满足沿空留巷巷旁充填体坍落度、初凝时间、早期强度、终期强度等指标要求，解决了混凝土材料早期强度低、成本高的问题；研究了新型巷旁充填材料的轴心抗压强度与立方体抗压强度换算系数、尺寸效应和沿空留巷积水浸泡环境下的强度弱化效应，新型巷旁充填材料表现出了更小的尺寸效应影响和更强的抵抗侵蚀的能力；提出了巷旁充填材料强度增长规律的沿空留巷数值模拟方法，建立数值模型对比分析了恒强度常规材料、低强度常规材料、常规材料和新型材料的沿空留巷效果。数值模拟结果表明，新型材料能够有效降低沿空留巷的变形，比常规材料巷旁充填更加有利于沿空留巷围岩稳定。 （6）上述研究的部分成果成功应用于高河矿W1319无煤柱工作面沿空留巷和E1303工作面沿空留巷工程中，取得了较好的工程效果。

目录

声明

致谢

变量注释表

1 绪论

1.1研究意义(Research Significance)

1.2 国内外研究现状(Summarize of Research Status)

1.3 主要研究内容与方法（Research Contents and Methods）

2 大高宽比混凝土巷旁充填体破坏特征及对沿空留巷稳定性的影响

2.1 大高宽比混凝土巷旁充填体破坏特征（Failure Characteristics of Concrete Filling Body with Large Aspect Ratio）

2.2 巷旁充填体对沿空留巷围岩稳定性影响分析（Analysis of the Influence of Roadside Filling on Surrounding Rock Stability of Gob-side Entry Retaining）

2.3 本章小结(Chapter Summary)

3 沿空留巷基本顶结构与内承载结构相互作用关系研究

3.1 基本顶覆岩结构与沿空留巷围岩稳定性（ Basic Overburden Structure and Surrounding Rock Stability of Gob-side Entry Retaining）

3.2 不同阶段充填体-煤帮内承载结构受载分析（Loading Analysis of Loading Structure in Filling-Coal Band at Different Stages）

3.3 不同类型内承载结构巷旁充填体受力分析（Stress Analysis of Roadside Filling Body with Different Types of Internal Bearing Structure）

3.4 基本顶断裂位置理论计算与内承载结构形式判别（ Theoretical Calculation of Fracture Location of Basic Top and Form Discrimination of Internal Bearing Structure）

3.5 本章小结(Chapter Summary)

4 大高宽比混凝土巷旁充填体力学特性与沿空留巷围岩稳定性分析

4.1 大高宽比混凝土巷旁充填体强度分析（Strength Analysis of Concrete Filling Body with Large Aspect Ratio）

4.2 大高宽比混凝土巷旁充填体强度的尺寸效应（Size Effect on Strength of Filling Body near Concrete Roadway with Large aspect ratio）

4.3 沿空留巷工程环境对混凝土巷旁充填体强度劣化时间效应（Time Effect of Gob-side Entry Retaining Engineering Environment on Strength Deterioration of Concrete Filling Body）

4.4 混凝土巷旁充填体承载能力计算（ Calculation of Bearing Capacity of Concrete Filling Body）

4.5大高宽比混凝土沿空留巷围岩稳定性分析（Stability Analysis of Surrounding Rock of Gob-side Entry Retaining with Large aspect ratio Concrete）

4.6 本章小结(Chapter Summary)

5 新型巷旁充填材料开发与力学特性研究

5.1 炉渣基本参数与可行性分析(Basic Parameters and Feasibility Analysis of Slag)

5.2 炉渣巷旁充填材料试验(Test of Slag Roadside Packing Material)

5.3 新型巷旁充填材料力学特性研究（ Study on Mechanical Properties of New Filling Material）

5.4 新型巷旁充填材料与常规材料参数留巷效果数值模拟对比(Comparison of Parameters between New Roadside Packing Material and Original Roadside Packing Material)

5.5 本章小结(Chapter Summary)

6 工业性试验

6.1 沿空留巷工程实践一（Gob-side Entry Retaining Industral Test One）

6.2 沿空留巷工程实践二（Gob-side Entry Retaining Industral Test Two）

7 结论和展望

7.1 主要结论(Main Conclusions)

7.2 论文创新点(Innovation)

7.3 研究展望(Research Prospects)

参考文献

作者简历

学位论文数据集