本文關鍵詞：帶狀充填開采巖層移動機理研究　出處：《中國礦業(yè)大學》2016年博士論文　論文類型：學位論文

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【摘要】：帶狀充填開采是一種將條帶開采與充填開采控制巖層移動的優(yōu)勢相結(jié)合的部分充填開采方式,在最大限度回收地下煤炭資源的同時,既能滿足地表變形控制需求、又能節(jié)約充填材料、降低充填采煤成本。尤其在目前我國東部礦區(qū)“三下”壓煤嚴重、充填開采成本過高、條帶開采資源回收率偏低、環(huán)境保護更加嚴格的背景及煤炭綠色開采政策的推動下,帶狀充填開采有著較廣闊的應用前景。本文采用相似材料模擬、數(shù)值模擬分析和理論研究相結(jié)合的研究方法,對帶狀充填開采中復合支撐體承載機理、帶狀充填巖層移動變形規(guī)律、覆巖及地表移動變形預測等問題進行了系統(tǒng)的研究,主要取得了如下成果:(1)對相似材料模型監(jiān)測方法和數(shù)值模擬方法進行了改進。將燈泡透鏡、近景攝影測量以及圖像識別技術(shù)相結(jié)合,提出了用于相似材料模型動態(tài)監(jiān)測的光學圖像法,該方法點位監(jiān)測精度達±0.1mm,位移監(jiān)測精度能達±0.01mm。同時,采用PFC模擬垮落帶中巖層裂隙發(fā)育及破斷特性,并采用FLAC模擬巖層移動變形過程的連續(xù)性,在離散顆粒與連續(xù)單元交界面接觸規(guī)則下,建立PFC和FLAC之間力與位移數(shù)據(jù)傳遞,實現(xiàn)了離散-連續(xù)介質(zhì)耦合分析,為研究帶狀充填開采巖層移動變形特征提供了有力的研究工具。(2)通過顆粒流數(shù)值模擬研究了復合支撐體在承載過程中的移動變形特征、應力運移規(guī)律及破壞形式。從留設煤柱對充填存在隔離作用,兩者相互側(cè)向限制、協(xié)同支撐上覆載荷作用這三個方面,揭示了留設煤柱與充填體協(xié)同作用機理。根據(jù)隔離煤柱在開采過程中的穩(wěn)定性和復合支撐體的支撐特性,將復合支撐體分成了三類�；跇O限平衡理論,建立了不同類型復合支撐體破碎區(qū)、塑性區(qū)和彈性區(qū)寬度的計算公式,提出了不同類型復合支撐體安全寬度的設計方法,為復合支撐體穩(wěn)定性分析提供理論依據(jù)。(3)結(jié)合相似材料模擬分析了帶狀充填開采兩個階段中覆巖移動變形特征、破壞過程及空隙分析特征,結(jié)果表明:帶狀充填開采距煤層較近巖層的下沉呈波浪形,直到某一高度后波浪形轉(zhuǎn)變成只有一個的平滑的瓢形。根據(jù)覆巖結(jié)構(gòu)特征可以將巖層分為橋洞式垮落帶、波浪式彎曲下沉帶和同步彎曲下沉帶,并分析了不同下沉帶的巖層移動特征及空隙分布特征。同時,分析了帶狀充填開采覆巖動態(tài)下沉及下沉速度特征,結(jié)果表明覆巖在動態(tài)變形過程中存在明顯的波動性,并且?guī)r層下沉速度存在時間尺度效應。在此基礎上,通過離散-連續(xù)介質(zhì)耦合分析方法,分析了帶狀充填開采地表沉陷主控因素對沉陷控制的影響程度。(4)帶狀充填開采復合支撐體與結(jié)構(gòu)巖層協(xié)同作用共同控制上覆巖層的沉降,主要結(jié)構(gòu)巖層阻隔了下伏巖層破斷,大幅度減小了有效下沉空間向上傳播,同步結(jié)構(gòu)巖層阻隔了多個波浪形下沉向上傳播,使得其上覆巖層下沉呈平滑的盆地狀。從采動程度角度來看,帶狀充填開采是通過復合支撐體將采空區(qū)分割成數(shù)個極不充分采動的區(qū)域,即減少了單獨開采區(qū)域的地表下沉又削弱了各開采區(qū)域沉陷疊加影響,從而達到控制地表沉陷的目的。(5)根據(jù)結(jié)構(gòu)巖層的控制機理,結(jié)合彈性地基上板模型與空間層狀力學模型,建立了帶狀充填開采巖層移動耦合預測模型,同時為了更加精確的預計帶狀充填開采地表移動變形值,在傳統(tǒng)的概率積分法預計模型基礎上,建立適合于帶狀充填開采地表沉陷特征的等效疊加預計模型。在綜合考慮地表移動變形值、復合支撐體的穩(wěn)定性、社會效益和經(jīng)濟效益的基礎上,提出帶狀充填開采沉陷控制設計方法,為獲得準確的帶狀充填開采巖層及地表移動預測及災害評估提供了有效的理論依據(jù)。
【學位授予單位】：中國礦業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TD823.7
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本文編號：1334399