【摘要】：煤礦高濃度膠結(jié)充填開采,在采出煤炭資源的同時,以煤矸石、粉煤灰、水泥、外加劑和水等制成的高濃度膠結(jié)充填物充填采空區(qū),限制采空區(qū)上覆巖層移動變形,從而控制地表沉陷。為分析膠結(jié)充填開采單工作面頂板變形機理以及跨工作面(將若干個相鄰的平行工作面組成的區(qū)域定義為“跨工作面區(qū)域”)上覆巖層移動變形規(guī)律,綜合運用理論分析、試驗測試、相似材料模擬和數(shù)值分析等方法,建立了膠結(jié)充填開采單工作面頂板巖梁力學(xué)模型和跨工作面頂板巖層力學(xué)模型。在充填開采單工作面區(qū)域內(nèi),構(gòu)建了“煤壁-支架-頂板巖梁-充填體”結(jié)構(gòu)的力學(xué)模型,分析了頂板巖梁的受力和彎矩,基于彈性地基梁模型,對頂板的移動變形規(guī)律進行了分析。在膠結(jié)充填開采跨工作面區(qū)域內(nèi),構(gòu)建了“煤柱-頂板巖層-充填體”結(jié)構(gòu)的力學(xué)模型,在此基礎(chǔ)上提出了連續(xù)“W”形彈性板理論,研究了煤礦高濃度膠結(jié)充填開采上覆巖層的移動變形特征。開展的主要研究工作如下:(1)分析了高濃度膠結(jié)充填材料的物理化學(xué)特性,通過設(shè)計正交試驗得到膠結(jié)充填材料的合理配比,分析了充填材料凝結(jié)后的單軸抗壓強度隨時間的變化規(guī)律并進行了擬合分析,通過試驗得到充填體材料壓縮破壞的應(yīng)力應(yīng)變?nèi)^程曲線。研究結(jié)果表明:高濃度膠結(jié)充填體單軸抗壓強度隨凝結(jié)時間的增長而增加,至28d左右趨于穩(wěn)定并達到最大值,數(shù)據(jù)擬合結(jié)果表明充填體單軸抗壓強度為凝結(jié)時間的二次函數(shù),但可以用線性關(guān)系近似表征二者之間的關(guān)系。因此,在進行運算時,為簡化處理,可以將充填體單軸抗壓強度視為凝結(jié)時間的線性函數(shù)。凝結(jié)28d后的高濃度膠結(jié)充填體試樣壓縮破壞應(yīng)力應(yīng)變?nèi)^程曲線與粉砂巖類似,分為壓實階段、線彈性階段、屈服變形階段和破壞階段四個階段。(2)充填材料的存在,改變了采空區(qū)的圍巖應(yīng)力結(jié)構(gòu),在一個回采空間內(nèi)形成“煤壁-支架-頂板-充填體”的小結(jié)構(gòu),在相鄰的跨工作面間形成“煤柱-頂板巖層-充填體”的大結(jié)構(gòu)。結(jié)合充填體強度形成的時間特性,建立了單工作面“煤壁-頂板-充填體”的力學(xué)結(jié)構(gòu)模型,分析頂板巖梁的剪力、彎矩分布,得出工作面推進速度與充填體強度形成速度之間的關(guān)系。將充填體視為彈性地基,對頂板巖梁進行移動變形分析,并通過相似材料模擬試驗驗證理論分析結(jié)果。(1)基于煤壁、采場支架、充填體和頂板的聯(lián)合作用,建立了膠結(jié)充填開采頂板巖梁力學(xué)模型,該模型為兩端固支的“煤壁-支架-充填體”聯(lián)合支撐的超靜定力學(xué)結(jié)構(gòu),根據(jù)膠結(jié)充填材料強度形成與時間的關(guān)系特性,將充填體所在區(qū)域沿工作面推進方向分為強度增長區(qū)和強度恒定區(qū)2個區(qū)域,分析了2個區(qū)域的充填體強度界限。對頂板巖梁進行受力分析,求出頂板巖梁剪力和彎矩的表達式以及巖梁兩固支端的支座反力1R、2R和彎矩1M、2M。工作面支架的工作阻力和充填體的支撐能力對頂板巖梁剪力和彎矩的分布影響較大,與垮落法相比,巖梁兩端支座反力和彎矩均較小。討論了膠結(jié)充填材料強度形成速度與工作面推進速度之間的關(guān)系,根據(jù)充填開采極限跨距的概念以及充填材料強度形成的時間關(guān)系,計算了工作面推進速度與充填體強度形成速度之間的關(guān)系。(2)將膠結(jié)充填體視為彈性地基,對頂板巖梁的移動變形進行了分析。利用初參數(shù)法求出頂板巖梁在煤體側(cè)和采空區(qū)側(cè)的下沉曲線,以及工作面前方煤體、采空區(qū)充填體的垂直應(yīng)力方程。分析煤層埋深H、煤體地基系數(shù)mk、充填體地基系數(shù)ck、巖梁彈性模量E、巖梁厚度h和頂板與充填體接觸時下沉量0z六個參數(shù)對頂板巖梁下沉量、工作面前方煤體、充填體垂直應(yīng)力的影響,結(jié)果表明頂板與充填體接觸時下沉量0z為主要影響因素,0z是控制頂板巖梁下沉、減小煤壁垂直應(yīng)力的關(guān)鍵因素。(3)相似模擬和數(shù)值模擬表明,充填開采時,頂板巖梁僅發(fā)生彎曲下沉,沒有發(fā)生垮落現(xiàn)象,工作面前方出現(xiàn)增壓區(qū),在充填體側(cè)出現(xiàn)減壓區(qū)。隨著充填率的增加,覆巖的移動變形量減小,充填體和工作面前方煤體的支承壓力變小。頂板與充填體接觸時的下沉量是影響充填開采頂板巖梁移動變形的關(guān)鍵因素,可以通過提高充填率等方式減小頂板與充填體接觸時的下沉量,使充填開采達到控制上覆巖層移動變形、控制地表沉陷的效果。(3)以新陽礦十采區(qū)為背景,研究了跨工作面間形成“煤柱-頂板巖層-充填體”的大結(jié)構(gòu)覆巖移動變形特征,分析了煤柱和充填體的作用機制,提出膠結(jié)充填開采跨工作面連續(xù)“W”形彈性板理論,建立連續(xù)“W”形彈性板力學(xué)模型,分析在該結(jié)構(gòu)移動變形情況下地表沉陷規(guī)律。并通過相似材料模擬試驗進行了驗證。(1)對高濃度膠結(jié)充填開采跨工作面頂板巖層進行了受力分析,構(gòu)建了“煤體-頂板巖層-充填體”聯(lián)合作用的協(xié)同支撐體系。分析了煤柱和充填體的作用機制,煤柱起到支撐頂板及上覆巖層載荷的作用,充填體的支撐作用有兩個方面:對頂板巖層產(chǎn)生豎直向上的支撐作用力;對煤柱產(chǎn)生側(cè)向支撐力,將煤柱的受力狀態(tài)由二維受力變?yōu)槿S受力,提高了煤柱抗壓強度。推導(dǎo)了膠結(jié)充填開采條件下煤柱穩(wěn)定的條件以及“煤體-頂板巖層-充填體”協(xié)同支撐體系穩(wěn)定的條件。并在此基礎(chǔ)上提出了基于彈性薄板理論的連續(xù)“W”形彈性板理論。(2)建立了膠結(jié)充填開采跨工作面頂板連續(xù)“W”形彈性板力學(xué)模型,分析了連續(xù)“W”形彈性板形成的基礎(chǔ)、板結(jié)構(gòu)連續(xù)的條件以及最大撓度,分析了頂板的最大下沉量max?與充填率η、充填體壓縮率?、頂板與充填體接觸前位移量0z之間的關(guān)系,提高充填率、降低充填體壓縮率、減小頂板與充填體接觸前位移量,有利于維護“煤柱-頂板巖層-充填體”協(xié)同支撐體系的穩(wěn)定性,同時也有利于減小頂板下沉量,控制地表沉陷。(3)相似模擬和數(shù)值模擬結(jié)果表明,膠結(jié)充填開采,在跨工作面區(qū)域內(nèi),基本頂在煤層傾斜方向上發(fā)生了“W”形連續(xù)彎曲下沉,不發(fā)生破斷,基本頂?shù)淖畲笙鲁亮堪l(fā)生在各工作面中點位置。在跨工作面區(qū)域內(nèi),基本頂垂直方向應(yīng)力峰值位于各工作面間煤柱邊界處,基本頂應(yīng)力峰值與充填率有關(guān),隨充填率的減小而增大。(4)以新陽礦十采區(qū)10203工作面和小屯礦14259工作面為工程背景進行了高濃度膠結(jié)充填開采工業(yè)試驗,分別對新陽礦10203工作面和小屯礦14259工作面礦壓監(jiān)測結(jié)果和地表沉陷監(jiān)測結(jié)果進行分析,結(jié)果表明膠結(jié)充填開采工作面前后方支承壓力較垮落法減小很多,工作面周期來壓不明顯。小屯礦充填開采采空區(qū)上覆巖層的運動變形為整體移動,地表最大變形量218.8mm。
【學(xué)位授予單位】：中國礦業(yè)大學(xué)(北京)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TD325

【參考文獻】

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本文編號：2541009