固体充填法采煤覆岩移动和地表沉陷控制研究

摘要

我国煤炭开采以垮落法管理顶板为主，造成了严重的地表沉陷地质灾害，大量建（构）筑物随之损坏，所产生的煤矸石等废弃物还大规模占地并造成滑坡、自燃、扬尘等次生灾害。固体充填法开采能够有效控制覆岩和地表下沉，同时消耗大量矸石等固体废弃物，研究固体充填法采煤覆岩移动和地表沉陷控制规律具有重要意义。本文以阜新刘家区井田村庄下某工作面固体充填法开采为研究背景，从优化固体充填材料的压缩变形特征出发，通过开展现场勘查、固体充填材料性质试验、力学机理分析、数值模拟和相似材料模拟，系统研究了固体充填法开采条件下的覆岩移动规律和地表沉陷控制作用并设计了固体充填法采煤工艺方案，得到以下主要研究成果:
　　固体充填用矸石最大粒径控制为50mm，泰波理论n=0.3时的级配为理想级配，“细碎”加工可使原状矸石级配接近理想级配，矸石级配优化可以增强固体充填体的抗压缩变形能力;矸石—黄土混合充填材料的压缩变形过程分为快速变形、缓慢变形和变形平稳三个阶段，具有典型的非线性特征，“细碎矸石”与黄土干质量比5∶2、黄土含水率12％时的混合材料抗压缩能力强、整体性好，是优选的固体充填材料配合比方案;建立了固体充填法采煤的直接顶板弹性基础梁和非线性基础梁力学方程并用数值解法进行了算例求解，弹性基础梁方程与非线性基础梁方程求得的结果相比，直接顶板岩梁的最大挠度和平衡挠度相近、挠曲线沿长度方向的变化更为缓和，最大转角、弯矩、剪力和曲率值均偏小;建立了同时考虑煤体区、控顶区和充填体区作用的固体充填法采煤覆岩移动力学方程并推导了数学解析解，分析了充填体基床反力系数、顶板岩梁弹性模量、煤层埋深、顶板岩梁厚度对直接顶板的挠度、支承压力、弯矩、剪力和曲率的影响，得出了充填体基床反力系数对计算结果影响最大;数值模拟和相似材料模拟结果均表明，固体充填法采煤上覆各岩层的下沉经历了快速下沉、平稳下沉和趋于稳定的过程，覆岩下沉系数随工作面推进而增大，移动和破坏区域中没有“不规则垮落带”，自下而上呈规则垮落带、裂隙带和弯沉带变化;数值模拟结果还表明，充实率越高顶板覆岩破坏程度越轻，规则跨落带和裂隙带厚度越小。充实率达到80％后，提高充实率对减小覆岩破坏程度和范围作用不大。70％充实率时的下沉系数增长速度最快，充实率越高上覆岩层稳定越快、越早进入充分采动状态;各充实率条件下，随工作面推进地表下沉与水平变形变化趋势基本相同，均为早期变化剧烈，后期逐渐缓和。将相似材料模拟试验中的实际固体充填材料的压缩曲线按相似比尺变换为了充填模拟材料的理论压缩曲线，实现了对固体充填材料实际压缩过程的模拟，提高了试验与工程实际的吻合度;70％充实率的地表最大水平变形超过了砖混结构建筑物Ⅰ级损坏评价标准，而80％充实率时的变形量均在标准限定值以内，该工程条件下的充实率标准可确定为80％;使用概率积分法预测了刘家区井田孙家湾煤层群在充实率80％条件下矸石—黄土混合材料充填的地表沉陷情况，最大下沉量预测值与数值模拟结果相接近，非充分采动条件下的地表变形程度和范围均小于其他条件相同时的充分采动条件。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 研究背景和意义

1．1．1 我国由煤炭开采产生的环境地质灾害问题

1．1．2 固体充填法采煤覆岩和地表沉陷控制的研究意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 国内外固体充填法采煤发展现状

1．2．2 固体充填材料研究现状

1．2．3 固体充填法采煤覆岩移动和地表沉陷控制研究现状

1．3 目前研究存在的问题

1．4 研究内容和技术路线

1．4．1 主要研究内容

1．4．2 技术路线

2 固体充填材料压缩变形特性分析及配合比优化

2．1 主要固体充填原料的基本性质

2．1．1 矸石的基本性质

2．1．2 黄土的基本性质

2．1．3 粉煤灰基本性质

2．2 矸石—黄土混合充填材料的压实特性和配合比优化

2．2．1 矸石级配条件的优化

2．2．2 矸石—黄土混合充填材料的压缩变形特性及配合比优化

2．3 本章小结

3 固体充填法采煤覆岩移动与地表沉陷力学机理

3．1 固体充填法采煤地表沉陷影响因素分析

3．2 固体充填法采煤覆岩移动控制力学模型

3．2．1 固体充填法采煤覆岩移动力学基本方程及解法

3．2．2 固体充填法采煤的覆岩稳定性判据

3．3 固体充填法采煤一体化力学模型

3．3．1 固体充填法采煤直接顶板岩梁力学方程

3．3．2 固体充填法采煤直接顶板岩梁变形影响因素分析

3．4直接顶板岩梁下沉与地表最大下沉量的关系

3．5 本章小结

4 固体充填法采煤覆岩移动数值模拟研究

4．1 数值模拟方案和模型建立

4．2 采场覆岩应力分布特征

4．3 采场覆岩塑性区分布特征

4．4 上覆岩层的下沉特征

4．5 采场覆岩水平移动特征

4．6 不同充实率地表沉陷控制作用分析

4．7 本章小结

5 固体充填法采煤相似材料模拟试验

5．1 相似常数的选取和模型堆筑

5．2 固体混合充填材料模拟材料的制备

5．2．1 目标压缩曲线的求取

5．2．2 固体混合充填材料的模拟材料配合比设计

5．3 固体充填法开采工艺的模拟和模型观测

5．4 模拟试验结果分析

5．4．1 采动覆岩的变形破坏过程及结构特征

5．4．2 固体充填法开采的覆岩变形规律

5．4．3 采动覆岩的矿压显现规律

5．4．4 固体充填法采煤地表沉陷预测

5．5 本章小结

6 工程应用研究

6．1 固体充填法采煤应用条件分析

6．1．1 工程应用的井田概况

6．1．2 工程应用的地质特征

6．1．3 矿井巷道和采场布置条件分析

6．2 充填材料的加工和混合工艺

6．3 垂直投料系统初步设计

6．4 工作面固体充填法采煤工艺

6．4．1 充填法采煤工作面的生产组织

6．4．2 固体充填法采煤工作面推进方式

6．4．3 固体充填效果的控制

6．5 本章小结

7 结论与展望

7．1 结论

7．2 创新点

7．3 展望

参考文献

作者简历

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