遗留条带煤柱膏体充填置换开采覆岩及地表移动变形规律研究

摘要

长期以来我国中、东部矿区村庄下压煤多采用条带法进行煤层开采，几十年形成的呆滞储量超过10亿t，这些遗留条带煤柱如何安全高效地回收已成为中、东部煤矿可持续发展的关键。在条带开采的基础上利用充填开采技术将遗留的条带煤柱进行资源回收，不仅解放了大量煤炭资源，还减少了充填成本，最终控制地表的沉降。然而条带开采使覆岩及地表已经经历过一次采动影响，对遗留条带煤柱进行充填置换开采后将会产生二次采动影响。因此，覆岩及地表的二次变形规律和长期稳定条件已成为研究充填置换开采的关键。本文以岱庄煤矿2300采区为研究背景，综合理论分析、相似材料模拟、数值模拟以及现场实测等手段，对遗留条带煤柱膏体充填置换开采覆岩及地表二次移动变形规律进行研究。主要研究内容及结论如下：　　(1)基于弹性力学和托板理论，建立了充填置换开采围岩稳定力学模型，通过理论推导得出充填体所受载荷与关键岩层参数之间的力学关系表达式，最终得到关键岩层稳定时充填体设计强度并给出了关键岩层是否破断的公式判据。　　(2)通过室内相似材料模拟研究可知对遗留条带煤柱充填置换开采后，原先稳定的覆岩结构开始二次运动，导致条带采空区顶板发生活化垮落，充填工作面顶板也发生沉降，最终顶板与充填体达到新平衡状态，充填体与护巷煤柱形成稳定共同支撑体对覆岩进行支撑；待模型经二次采动影响稳定后观察可知，在距煤层顶板20cm处发现关键岩层，以该岩层为界产生离层，关键岩层以下岩层呈波浪状破坏，以上岩层整体发生弯曲下沉；遗留条带煤柱充填置换开采后，整体覆岩的下沉量均有所增加，但随着高度的增高下沉量逐渐变小。　　(3)通过FLAC3D数值模拟对理论推导结论进行补充和验证，综合分析了覆岩及地表受二次采动影响后的运动变化情况，得出遗留条带煤柱充填置换开采后采区边界实体煤处应力较条带开采应力升高，且充填体内部处于三向受力状态，护巷煤柱处产生了较大的应力集中，并且大于边界煤柱处所受应力；条带采空区失稳活化后，顶板拉断破坏高度增大，两侧剪切破坏深度增加，塑性区范围变大；随着充填体强度的增大对地表沉降的控制效果越佳，地表产生连续缓沉盆地，表明充填置换开采对地表的下沉有较好的控制作用，可以保护地表建筑不受破坏，且地表下沉量随着充填体强度的增加成非线性下降关系。　　(4)通过对充填置换工作面地表岩移观测结果分析得出，倾向测线最大下沉量为271mm，水平变形值0.395mm/m，曲率值0.009mm/m和倾斜值0.796mm/m，均小于地表建筑物I级破坏程度，保证了地表建(构)筑物安全稳定。

目录

声明

变量注释表

1 绪 论

1.1 研究目的及意义

1.2.1 条带开采研究现状

1.2.2 充填开采研究现状

1.2.3 充填置换开采研究现状

1.2.4 开采沉陷理论研究现状

1.3 主要研究内容及技术路线

2 充填置换开采覆岩变形机理研究

2.1 遗留条带煤柱承载能力确定

2.2 充填置换开采力学模型建立

2.3 充填置换开采关键岩层变形分析

2.3.1 薄板弯曲的积分方程

2.3.2 薄板的边界条件

2.3.3 四边固支模型的力学分析

2.3.4 薄板理论在充填置换开采中的应用

2.4 本章小结

3 充填置换开采覆岩变形特征试验研究

3.1.1 平面应力相似模拟试验系统

3.1.2 模型相似比确定

3.1.3 模型设计与铺设

3.2 试验结果与分析

3.2.1 模型开挖覆岩运动变形及裂隙发育规律分析

3.2.2 模型开挖覆岩下沉规律分析

3.2.3 模型开挖应力场演化规律分析

3.3 本章小节

4 充填置换开采覆岩及地表移动变形数值模拟研究

4.1 FLAC3D5.0数值模拟软件简介

4.2.1 数值模拟模型的建立

4.2.2 煤岩物理力学参数

4.3 充填置换开采模拟结果分析

4.3.1 条带开采覆岩及地表变形特征分析

4.3.2 充填置换开采覆岩及地表变形特征分析

4.4 本章小节

5 充填置换开采地表岩移观测

5.1 充填置换开采工程背景

5.2.1 地表移动观测站布设

5.2.2 地表移动观测站观测工作

5.2.3 观测数据整理及分析

5.3 本章小节

6 结论与展望

6.1 主要结论

6.2 论文创新点

6.3 论文展望

参考文献

作者简历

致谢

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