【摘要】：我國(guó)煤炭開采以垮落法管理頂板為主,造成了嚴(yán)重的地表沉陷地質(zhì)災(zāi)害,大量建(構(gòu))筑物隨之損壞,所產(chǎn)生的煤矸石等廢棄物還大規(guī)模占地并造成滑坡、自燃、揚(yáng)塵等次生災(zāi)害。固體充填法開采能夠有效控制覆巖和地表下沉,同時(shí)消耗大量矸石等固體廢棄物,研究固體充填法采煤覆巖移動(dòng)和地表沉陷控制規(guī)律具有重要意義。本文以阜新劉家區(qū)井田村莊下某工作面固體充填法開采為研究背景,從優(yōu)化固體充填材料的壓縮變形特性出發(fā),通過開展現(xiàn)場(chǎng)勘查、固體充填材料性質(zhì)試驗(yàn)、力學(xué)機(jī)理分析、數(shù)值模擬和相似材料模擬,系統(tǒng)研究了固體充填法開采條件下的覆巖移動(dòng)規(guī)律和地表沉陷控制作用并設(shè)計(jì)了固體充填法采煤工藝方案,得到以下主要研究成果:固體充填用矸石最大粒徑控制為50 mm,泰波理論n=0.3時(shí)的級(jí)配為理想級(jí)配,“細(xì)碎”加工可使原狀矸石級(jí)配接近理想級(jí)配,矸石級(jí)配優(yōu)化可以增強(qiáng)固體充填體的抗壓縮變形能力;矸石—黃土混合充填材料的壓縮變形過程分為快速變形、緩慢變形和變形平穩(wěn)三個(gè)階段,具有典型的非線性特征,“細(xì)碎矸石”與黃土干質(zhì)量比5:2、黃土含水率12%時(shí)的混合材料抗壓縮能力強(qiáng)、整體性好,是優(yōu)選的固體充填材料配合比方案;建立了固體充填法采煤的直接頂板彈性基礎(chǔ)梁和非線性基礎(chǔ)梁力學(xué)方程并用數(shù)值解法進(jìn)行了算例求解,彈性基礎(chǔ)梁方程與非線性基礎(chǔ)梁方程求得的結(jié)果相比,直接頂板巖梁的最大撓度和平衡撓度相近、撓曲線沿長(zhǎng)度方向的變化更為緩和,最大轉(zhuǎn)角、彎矩、剪力和曲率值均偏小;建立了同時(shí)考慮煤體區(qū)、控頂區(qū)和充填體區(qū)作用的固體充填法采煤覆巖移動(dòng)力學(xué)方程并推導(dǎo)了數(shù)學(xué)解析解,分析了充填體基床反力系數(shù)、頂板巖梁彈性模量、煤層埋深、頂板巖梁厚度對(duì)直接頂板的撓度、支承壓力、彎矩、剪力和曲率的影響,得出了充填體基床反力系數(shù)對(duì)計(jì)算結(jié)果影響最大;數(shù)值模擬和相似材料模擬結(jié)果均表明,固體充填法采煤上覆各巖層的下沉經(jīng)歷了快速下沉、平穩(wěn)下沉和趨于穩(wěn)定的過程,覆巖下沉系數(shù)隨工作面推進(jìn)而增大,移動(dòng)和破壞區(qū)域中沒有“不規(guī)則垮落帶”,自下而上呈規(guī)則垮落帶、裂隙帶和彎沉帶變化;數(shù)值模擬結(jié)果還表明,充實(shí)率越高頂板覆巖破壞程度越輕,規(guī)則跨落帶和裂隙帶厚度越小。充實(shí)率達(dá)到80%后,提高充實(shí)率對(duì)減小覆巖破壞程度和范圍作用不大。70%充實(shí)率時(shí)的下沉系數(shù)增長(zhǎng)速度最快,充實(shí)率越高上覆巖層穩(wěn)定越快、越早進(jìn)入充分采動(dòng)狀態(tài);各充實(shí)率條件下,隨工作面推進(jìn)地表下沉與水平變形變化趨勢(shì)基本相同,均為早期變化劇烈,后期逐漸緩和。將相似材料模擬試驗(yàn)中的實(shí)際固體充填材料的壓縮曲線按相似比尺變換為了充填模擬材料的理論壓縮曲線,實(shí)現(xiàn)了對(duì)固體充填材料實(shí)際壓縮過程的模擬,提高了試驗(yàn)與工程實(shí)際的吻合度;70%充實(shí)率的地表最大水平變形超過了磚混結(jié)構(gòu)建筑物I級(jí)損壞評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),而80%充實(shí)率時(shí)的變形量均在標(biāo)準(zhǔn)限定值以內(nèi),該工程條件下的充實(shí)率標(biāo)準(zhǔn)可確定為80%;使用概率積分法預(yù)測(cè)了劉家區(qū)井田孫家灣煤層群在充實(shí)率80%條件下矸石—黃土混合材料充填的地表沉陷情況,最大下沉量預(yù)測(cè)值與數(shù)值模擬結(jié)果相接近。其他條件相同時(shí),非充分采動(dòng)條件下的地表變形程度和范圍均小于充分采動(dòng)條件。
【圖文】：

圖 1.1 覆巖結(jié)構(gòu)的懸臂梁假說(shuō) 圖 1.2 覆巖結(jié)構(gòu)的鉸接巖塊假說(shuō)Fig. 1.1 Cantilever beam hypothesis Fig. 1.2 Tinged rock block hypothesis采場(chǎng)上覆巖層中的“大結(jié)構(gòu)”是由破斷巖塊鉸接成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的�；谶@一共識(shí)，者發(fā)展了鉸接巖塊學(xué)說(shuō)，，提出了“砌體梁結(jié)構(gòu)”理論和“傳遞巖梁結(jié)構(gòu)”理論[68

圖 1.1 覆巖結(jié)構(gòu)的懸臂梁假說(shuō) 圖 1.2 覆巖結(jié)構(gòu)的鉸接巖塊假說(shuō)Fig. 1.1 Cantilever beam hypothesis Fig. 1.2 Tinged rock block hypothesis采場(chǎng)上覆巖層中的“大結(jié)構(gòu)”是由破斷巖塊鉸接成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的�；谶@一共識(shí)，者發(fā)展了鉸接巖塊學(xué)說(shuō)，提出了“砌體梁結(jié)構(gòu)”理論和“傳遞巖梁結(jié)構(gòu)”理論[68
【學(xué)位授予單位】：遼寧工程技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TD325

【參考文獻(xiàn)】

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1 陳小亮;黃開志;王小榮;;三種非線性彈性地基梁的變形和內(nèi)力研究[J];江漢大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);2015年06期

2 陳小亮;陳世嵬;黃志敏;;基于地基反力與沉降非線性關(guān)系的地基梁研究[J];重慶建筑;2015年11期

3 王炯;郭廣禮;朱曉峻;郭慶彪;;條帶開采與固體充填開采地表沉陷規(guī)律研究[J];金屬礦山;2015年05期

4 滿建峰;彭?xiàng)铕?康洪濤;;煤礦高濃度膠結(jié)充填開采覆巖變形規(guī)律[J];煤礦安全;2015年04期

5 李瀟;王宏志;李世萍;傅向榮;蔣秀根;;解析型Winkler彈性地基梁?jiǎn)卧獦?gòu)造[J];工程力學(xué);2015年03期

6 崔景昆;李漠;豐云雷;李振宇;李海江;谷客磊;;等價(jià)采高理論的有限元分析[J];煤礦安全;2014年12期

7 李猛;張吉雄;姜海強(qiáng);黃艷利;張強(qiáng);;固體密實(shí)充填采煤覆巖移動(dòng)彈性地基薄板模型[J];煤炭學(xué)報(bào);2014年12期

8 李猛;張吉雄;繆協(xié)興;黃艷利;;固體充填體壓實(shí)特征下巖層移動(dòng)規(guī)律研究[J];中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào);2014年06期

9 龐緒峰;蔡來(lái)生;王忠武;程孝海;;急傾斜煤層充填開采覆巖運(yùn)移規(guī)律模擬試驗(yàn)研究[J];煤炭工程;2014年10期

10 馮又全;楊敏;陳俊嶺;;線性分布基床系數(shù)彈性地基梁有限單元法改進(jìn)[J];巖土力學(xué);2014年10期

本文編號(hào)：2689333