本文關(guān)鍵詞：煤礦膠結(jié)充填開采覆巖移動(dòng)及礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究

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【摘要】：本文以煤礦膠結(jié)充填開采技術(shù)為背景,通過相似模擬試驗(yàn)、數(shù)值模擬進(jìn)行了不同充填率條件下覆巖移動(dòng)和礦壓顯現(xiàn)規(guī)律的研究,并與垮落法開采進(jìn)行對(duì)比。在綜合分析膠結(jié)充填覆巖移動(dòng)變形規(guī)律后,提出了充填開采上覆巖層漸進(jìn)“S”型梁模型,并對(duì)其形成條件進(jìn)行了理論分析�；趶椥缘鼗豪碚�,建立漸進(jìn)“S”型梁力學(xué)模型,推導(dǎo)出充填開采煤體區(qū)和充填區(qū)支承壓力分布和頂板下沉量推導(dǎo)公式,并進(jìn)行了理論計(jì)算。將此模型應(yīng)用到地表下沉預(yù)測(cè)計(jì)算中,并對(duì)地表下沉系數(shù)取值進(jìn)行研究,構(gòu)建了膠結(jié)充填質(zhì)量控制體系框架,在小屯礦進(jìn)行了工業(yè)性試驗(yàn),技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益分析結(jié)果表明了小屯礦進(jìn)行膠結(jié)充填開采的合理性和優(yōu)越性。本文對(duì)以下主要內(nèi)容進(jìn)行了研究：(1)通過實(shí)驗(yàn)室相似模擬試驗(yàn),對(duì)垮落法開采及不同充填率條件下充填開采的覆巖移動(dòng)變形規(guī)律分析可知：①與垮落法開采相比,充填采煤上覆巖層整體性結(jié)構(gòu)沒有破壞,當(dāng)充填率為80%時(shí),膠結(jié)充填開采上覆巖層發(fā)生整體彎曲下沉,僅出現(xiàn)裂隙帶和彎曲下沉帶,兩帶發(fā)育分布在基本頂附近,且范圍較小,巖層豎直方向上無貫穿性裂隙：當(dāng)充填率為90%時(shí),只出現(xiàn)彎曲下沉帶。即采空區(qū)充填率對(duì)充填采煤上覆巖層的穩(wěn)定性有顯著的影響,隨著充填率的提高,上覆巖層的變形破壞從產(chǎn)生離層、裂隙逐步變?yōu)檎w的彎曲下沉,上覆巖層下沉速度及下沉量也呈現(xiàn)大幅度減小的趨勢(shì)。②充填率越高,頂板的欠接頂量小,下沉空間少,頂板的完整性越好,充填體和頂板的承載能力越高,故煤壁前方支承壓力峰值越小,應(yīng)力增高區(qū)面積減少,后方充填體支承壓力越高。③與垮落法開采相比,充填開采工作面周期來壓的步距較大,周期較長,周期來壓現(xiàn)象不明顯；充填率越高,周期來壓的步距越大,周期越長,周期來壓強(qiáng)度越小,周期性越不明顯；當(dāng)充填率達(dá)到90%時(shí),工作面無周期來壓現(xiàn)象。④對(duì)于膠結(jié)充填開采,充填體與圍巖的相互作用主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：充填材料作為地質(zhì)填充物,及時(shí)對(duì)采空區(qū)進(jìn)行了充填,膠結(jié)成具有一定強(qiáng)度的充填體阻止圍巖變形,提高了圍巖的完整性和承載能力,增強(qiáng)了頂板抵抗變形和破壞的能力；隨著工作面的推進(jìn),形成了以煤體、充填體、圍巖共同作用的支撐體系,阻止覆巖的進(jìn)一步變形；此支撐體系改變了整個(gè)采場(chǎng)的應(yīng)力狀態(tài),使采場(chǎng)由雙向受力狀態(tài)變成三向受力狀態(tài),共同阻止上覆巖層的下沉。由于上覆巖層運(yùn)動(dòng)空間有限,整個(gè)采場(chǎng)礦壓顯現(xiàn)明顯減弱。(2)在分析膠結(jié)充填采場(chǎng)覆巖移動(dòng)特征的基礎(chǔ)上,提出了充填開采上覆巖層漸進(jìn)“S”型梁理論,建立漸進(jìn)“S”型梁彈性地基梁力學(xué)模型,對(duì)頂板移動(dòng)變形進(jìn)行分析。①對(duì)膠結(jié)充填采場(chǎng)覆巖移動(dòng)特征進(jìn)行分析,建立了漸進(jìn)“S”型梁力學(xué)模型,并對(duì)其形成條件即完全連續(xù)條件和有效連續(xù)條件進(jìn)行了理論分析。②基于彈性地基梁理論,將基本頂巖梁視為半無限長梁,不考慮控頂距和支架的情況下,建立充填開采漸進(jìn)“S”型梁力學(xué)模型,并根據(jù)此模型建立了充填開采覆巖移動(dòng)力學(xué)方程,推導(dǎo)出充填開采煤體區(qū)和充填區(qū)支承壓力表達(dá)式,分析了煤體區(qū)和充填區(qū)支承壓力分布情況：隨著工作面的推進(jìn),煤體一側(cè)垂直應(yīng)力逐漸減小,趨于原巖應(yīng)力；作用在充填體上的垂直應(yīng)力隨著工作面的推進(jìn)而增大,也逐漸趨于原巖應(yīng)力。頂板的反力在x=0處不連續(xù),發(fā)生突變。在x=0處,煤體壓力最大,充填體上壓力最小。③以小屯礦膠結(jié)充填開采為工程背景,確定了上覆巖層力學(xué)參數(shù)條件下,對(duì)支承壓力影響因素進(jìn)行了計(jì)算分析：隨采深的增加,開采壓力變大；頂板與充填體接觸時(shí)下沉量和充填體彈性模量對(duì)壓力影響較明顯；如果充填效果不好,即充填率小于85%或充填體彈性模量小于0.3GPa時(shí),則充填對(duì)于減小開采地壓的作用不大。(3)以小屯礦地質(zhì)條件為基礎(chǔ),采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對(duì)不同充實(shí)率、不同充填體彈性模量條件下充填開采覆巖變形移動(dòng)規(guī)律及地表沉陷進(jìn)行了數(shù)值模擬分析,并對(duì)工作面前后方壓力隨推進(jìn)距離的變化規(guī)律進(jìn)行了模擬分析可得：①采空區(qū)的充填率對(duì)膠結(jié)充填開采工作面前方的超前支承壓力有一定的影響,當(dāng)充填率為95%時(shí),超前支承壓力峰值最低,隨著充填率的減小,超前支承壓力峰值逐漸升高。充填率在80%～95%之間時(shí),超前支承壓力影響范圍隨充填率的減小而略有增大。②開切眼處的支承壓力分布規(guī)律與工作面煤壁附近的支承壓力分布趨勢(shì)基本一致,與工作面煤壁附近相比,開切眼處的支承壓力峰值較高,比工作面前方支承壓力高20%,且隨著充填率的減小而增大；開切眼處的支承壓力影響范圍也比工作面前方影響范圍廣,支承壓力值在較遠(yuǎn)處趨近于原巖應(yīng)力。③采空區(qū)充填體垂直應(yīng)力隨著充填體彈性模量的增加而升高,并且應(yīng)力增加范圍也因充填體彈性模量的增加而變大。④膠結(jié)充填開采地表下沉量和傾斜變形量隨著充填率和充填體彈性模量的增加而減小,充填體彈性模量0.5GPa、充填率到達(dá)85%及以上或充填率90%、充填體彈性模量達(dá)0.3GPa以上,地表傾斜變形值在地表建筑物I級(jí)損壞等級(jí)允許變形范圍內(nèi)。⑤隨著充填率的增大,工作面前方支承壓力和充填體支承壓力峰值減小。膠結(jié)充填開采時(shí),工作面前后方支承壓力峰值隨著工作面推進(jìn)距離增加先升高,然后在較小范圍內(nèi)波動(dòng),呈現(xiàn)出的周期性不明顯,且充填率越大,周期性表象越弱。(4)對(duì)引起地表沉陷的因素進(jìn)行分析,利用推導(dǎo)出的頂板撓曲下沉方程對(duì)頂板下沉量進(jìn)行計(jì)算,并采用數(shù)值模擬研究了地表下沉系數(shù)的取值,最后對(duì)地表下沉進(jìn)行預(yù)計(jì)。①利用推導(dǎo)出的頂板撓曲下沉方程,對(duì)頂板巖梁下沉的各因素進(jìn)行了計(jì)算分析：最終下沉量的影響因素主要是煤層埋深和頂板與充填體接觸時(shí)的下沉量,充填體彈性模量和煤體彈性模量也對(duì)下沉量起到一定的作用。②依據(jù)積分概率法建立地表沉陷預(yù)計(jì)模型,并利用數(shù)值模擬對(duì)地表下沉系數(shù)取值進(jìn)行了研究：分析充填開采地表下沉系數(shù)和充填開采等價(jià)采高的關(guān)系,下沉系數(shù)與等價(jià)采高呈正相關(guān)關(guān)系,確定了新陽煤礦膠結(jié)充填開采地表下沉系數(shù)與等價(jià)采高的函數(shù)關(guān)系式為q=0.009e3.622Mc,并進(jìn)行了預(yù)計(jì)與驗(yàn)證,此方法可以推廣到其他煤礦膠結(jié)充填生產(chǎn)中。(5)以新陽礦膠結(jié)充填開采現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐為依托,在對(duì)煤礦高濃度膠結(jié)充填系統(tǒng)進(jìn)行簡要介紹的基礎(chǔ)上,分析研究了膠結(jié)充填質(zhì)量的影響因素,總結(jié)了膠結(jié)充填質(zhì)量的主要措施,構(gòu)建了膠結(jié)充填質(zhì)量控制體系框架,并對(duì)框架體系中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的研究。(6)根據(jù)理論研究成果,在小屯礦進(jìn)行膠結(jié)充填開采工業(yè)性試驗(yàn),對(duì)小屯礦充填開采的地質(zhì)條件、充填工藝等進(jìn)行了介紹,并對(duì)小屯煤礦充填工作面充填體受力、支架阻力和充填開采后頂?shù)装逡平�、地表沉陷進(jìn)行了觀測(cè)和分析,結(jié)果表明,充填開采無明顯周期來壓現(xiàn)象,支承壓力明顯降低,僅為垮落開采法的65%。地表沉陷控制效果較好,取得了良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。并針對(duì)工程中的具體問題,提出了改進(jìn)意見。
【關(guān)鍵詞】：膠結(jié)充填 覆巖移動(dòng) 礦壓顯現(xiàn) 地表下沉 充填質(zhì)量控制
【學(xué)位授予單位】：中國礦業(yè)大學(xué)(北京)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TD323
【目錄】：

• 摘要4-7
• Abstract7-16
• 1 緒論16-32
• 1.1 研究背景及意義16-18
• 1.1.1 研究背景16-17
• 1.1.2 研究意義17-18
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀18-29
• 1.2.1 充填開采國內(nèi)外研究現(xiàn)狀18-21
• 1.2.2 覆巖移動(dòng)及礦壓顯現(xiàn)規(guī)律國內(nèi)外研究現(xiàn)狀21-27
• 1.2.3 地表沉陷理論國內(nèi)外研究現(xiàn)狀27-29
• 1.3 主要研究內(nèi)容29-30
• 1.4 技術(shù)路線30-32
• 2 膠結(jié)充填開采覆巖移動(dòng)相似模擬32-64
• 2.1 相似模擬試驗(yàn)設(shè)計(jì)32-41
• 2.1.1 相似條件與相似指標(biāo)的選擇33-34
• 2.1.2 模擬煤巖層力學(xué)參數(shù)34-35
• 2.1.3 模型鋪設(shè)與測(cè)點(diǎn)布置35-38
• 2.1.4 試驗(yàn)方案38
• 2.1.5 實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)處理與分析38-41
• 2.2 膠結(jié)充填開采巖層移動(dòng)特征41-55
• 2.2.1 垮落法開采時(shí)巖層移動(dòng)特征41-46
• 2.2.2 充填率為80%時(shí)巖層移動(dòng)特征46-50
• 2.2.3 充填率為90%時(shí)巖層移動(dòng)特征50-55
• 2.3 膠結(jié)充填開采巖體內(nèi)部應(yīng)力變化規(guī)律55-62
• 2.3.1 支承壓力分布特征56-58
• 2.3.2 開切眼和停采線覆巖應(yīng)力動(dòng)態(tài)變化特征58-60
• 2.3.3 工作面前后方壓力隨推進(jìn)距離的變化規(guī)律60-62
• 2.3.4 充填體與圍巖的相互作用分析62
• 2.4 本章小結(jié)62-64
• 3 膠結(jié)充填開采覆巖移動(dòng)力學(xué)模型及分析64-84
• 3.1 膠結(jié)充填采場(chǎng)覆巖移動(dòng)特征分析64-66
• 3.1.1 傳統(tǒng)垮落法采場(chǎng)覆巖移動(dòng)特征64-65
• 3.1.2 膠結(jié)充填采場(chǎng)覆巖移動(dòng)特征65-66
• 3.1.3 膠結(jié)充填漸進(jìn)“S”型梁的提出66
• 3.2 漸進(jìn)“S”型梁的形成條件66-68
• 3.2.1 完全連續(xù)條件66-68
• 3.2.2 有效連續(xù)條件68
• 3.3 漸進(jìn)“S”型梁模型理論分析68-83
• 3.3.1 彈性地基梁理論68-70
• 3.3.2 漸進(jìn)“S”型梁的理論解70-77
• 3.3.3 充填開采地壓分析77-83
• 3.4 本章小結(jié)83-84
• 4 膠結(jié)充填開采礦壓顯現(xiàn)數(shù)值模擬84-102
• 4.1 FLAC3D程序簡介84-85
• 4.1.1 FLAC3D程序運(yùn)行原理85
• 4.1.2 FLAC3D的特點(diǎn)85
• 4.2 數(shù)值模擬模型的建立85-87
• 4.3 數(shù)值模擬計(jì)算方案87
• 4.4 不同充填率條件下采場(chǎng)礦壓顯現(xiàn)規(guī)律87-93
• 4.4.1 不同充填率條件下采場(chǎng)覆巖應(yīng)力分布特征87-92
• 4.4.2 不同充填率條件下地表下沉92-93
• 4.5 不同充填體彈性模量條件下采場(chǎng)礦壓顯現(xiàn)規(guī)律93-99
• 4.5.1 不同充填體彈性模量條件下采場(chǎng)覆巖應(yīng)力分布特征93-98
• 4.5.2 不同充填體彈性模量條件下地表下沉98-99
• 4.6 工作面前后方壓力隨推進(jìn)距離的變化規(guī)律99-100
• 4.7 本章小結(jié)100-102
• 5 膠結(jié)充填開采地表沉陷影響分析與預(yù)計(jì)102-122
• 5.1 膠結(jié)充填開采地表沉陷影響因素分析102-106
• 5.1.1 充填前頂?shù)装逡平?/span>102-105
• 5.1.2 充填不接頂量105
• 5.1.3 充填體的力學(xué)性能105-106
• 5.2 頂板巖層下沉的計(jì)算與分析106-110
• 5.2.1 頂板巖層下沉計(jì)算106-107
• 5.2.2 不同影響因素下頂板巖層下沉分析107-110
• 5.3 開采沉陷預(yù)計(jì)的理論基礎(chǔ)110-112
• 5.3.1 積分概率法相關(guān)知識(shí)110-112
• 5.3.2 積分概率法在實(shí)際中的應(yīng)用112
• 5.4 充填開采地表沉陷預(yù)計(jì)模型112-113
• 5.5 地表沉陷下沉系數(shù)取值研究113-120
• 5.5.1 地表沉陷下沉系數(shù)取值概述113-115
• 5.5.2 數(shù)值模型建立115-117
• 5.5.3 地表下沉系數(shù)與等效采高關(guān)系研究117-119
• 5.5.4 地表下沉系數(shù)回歸方程119-120
• 5.6 新陽礦地表沉陷預(yù)計(jì)結(jié)果分析120-121
• 5.7 本章小結(jié)121-122
• 6 煤礦膠結(jié)充填質(zhì)量控制122-140
• 6.1 煤礦高濃度膠結(jié)充填系統(tǒng)122-128
• 6.1.1 充填材料控制系統(tǒng)123-126
• 6.1.2 管道輸送系統(tǒng)126-127
• 6.1.3 工作面充填開采系統(tǒng)127-128
• 6.2 煤礦高濃度膠結(jié)充填質(zhì)量影響因素128-129
• 6.2.1 充填材料對(duì)煤礦高濃度膠結(jié)充填質(zhì)量的影響128
• 6.2.2 充填工藝對(duì)煤礦高濃度膠結(jié)充填質(zhì)量的影響128-129
• 6.3 控制煤礦高膠結(jié)充填質(zhì)量的主要措施129-132
• 6.3.1 充填材料質(zhì)量控制129-131
• 6.3.2 充填料漿制備中的質(zhì)量控制131
• 6.3.3 儀表監(jiān)測(cè)的重要作用131-132
• 6.4 煤礦膠結(jié)充填質(zhì)量控制體系框架132-133
• 6.5 煤礦膠結(jié)充填質(zhì)量管理控制的關(guān)鍵技術(shù)133-139
• 6.5.1 充填質(zhì)量設(shè)計(jì)133
• 6.5.2 充填質(zhì)量控制133
• 6.5.3 充填質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)133-139
• 6.6 本章小結(jié)139-140
• 7 工程應(yīng)用140-152
• 7.1 采礦地質(zhì)條件140-141
• 7.1.1 區(qū)域概況140-141
• 7.1.2 工作面情況141
• 7.1.3 頂?shù)装鍡l件141
• 7.2 充填系統(tǒng)組成141-142
• 7.3 膏體充填綜采工藝142-143
• 7.4 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)與分析143-149
• 7.4.1 充填體受力觀測(cè)結(jié)果分析143-144
• 7.4.2 支架阻力實(shí)測(cè)分析144-145
• 7.4.3 頂?shù)装逡平繉?shí)測(cè)分析145-147
• 7.4.4 地表沉陷實(shí)測(cè)分析147-149
• 7.5 效益分析149
• 7.6 存在的問題與建議149-150
• 7.7 本章小結(jié)150-152
• 8 結(jié)論與展望152-156
• 8.1 結(jié)論152-154
• 8.2 創(chuàng)新點(diǎn)154-155
• 8.3 展望155-156
• 參考文獻(xiàn)156-164
• 致謝164-166
• 作者簡介166
• 在學(xué)期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文166
• 在學(xué)期間參加科研項(xiàng)目166-167
• 主要獲獎(jiǎng)167

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5 姚世峰;;某礦山膠結(jié)充填站的自動(dòng)化設(shè)計(jì)[A];2011中國有色金屬行業(yè)儀表自動(dòng)化學(xué)術(shù)會(huì)議論文集[C];2011年

6 張文華;孫利波;;全尾砂膠結(jié)充填的應(yīng)用和發(fā)展[A];冀晉瓊粵川魯六省金屬學(xué)會(huì)第十五屆礦山學(xué)術(shù)交流會(huì)論文集[C];2008年

7 李煒;周旭;;高濃度膠結(jié)充填料漿管道輸送離析成因分析[A];2011年中國礦業(yè)科技大會(huì)論文集[C];2011年

8 馬元磊;高原;劉忠文;;機(jī)械化盤區(qū)下向分層進(jìn)路膠結(jié)充填采礦法在馬莊鐵礦的應(yīng)用[A];第二十屆“冀魯川遼晉瓊粵”七省礦業(yè)學(xué)術(shù)交流會(huì)論文集[C];2013年

9 王輝林;崔新玉;彭青生;霍紅亮;;上向水平分層膠結(jié)充填采礦法在獲各琦銅礦的應(yīng)用[A];2011年中國礦業(yè)科技大會(huì)論文集[C];2011年

10 趙海軍;馬鳳山;鄧清海;李國慶;陳遙;;下向膠結(jié)充填法開采陡傾金屬礦引起的地質(zhì)環(huán)境損害分析[A];中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所2007學(xué)術(shù)論文匯編(第七卷)[C];2008年

中國重要報(bào)紙全文數(shù)據(jù)庫 前6條

1 黃希金;分級(jí)尾砂膠結(jié)充填技術(shù)取得突破[N];中國有色金屬報(bào);2006年

2 記者焦建國 通訊員張素民;《低品位鐵礦全尾砂結(jié)構(gòu)流體膠結(jié)充填技術(shù)研究》項(xiàng)目獲獎(jiǎng)[N];中國冶金報(bào);2010年

3 本報(bào)記者 劉永龍　通訊員 趙博 何暢;跨越,在這一刻![N];河北經(jīng)濟(jì)日?qǐng)?bào);2011年

4 宗伯明;金川礦區(qū)開發(fā)新技術(shù)解決充填難題[N];中國有色金屬報(bào);2011年

5 李建東;中國工程院院士于潤滄到金川集團(tuán)公司調(diào)研[N];中國有色金屬報(bào);2009年

6 本報(bào)記者　趙向南;讓家鄉(xiāng)插上騰飛的翅膀[N];山西日?qǐng)?bào);2006年

中國博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前6條

1 馬乾天;廢石膠結(jié)材料蠕變與循環(huán)載荷條件下變形破壞機(jī)理研究[D];北京科技大學(xué);2016年

2 李文臣;硫酸鹽對(duì)膠結(jié)充填體早期性能的影響及其機(jī)理研究[D];中國礦業(yè)大學(xué)(北京);2016年

3 楊鵬飛;煤礦膠結(jié)充填開采覆巖移動(dòng)及礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究[D];中國礦業(yè)大學(xué)(北京);2016年

4 張靜文;鐵礦礦山充填采礦用膠結(jié)充填料研究[D];北京科技大學(xué);2015年

5 趙有生;新陽煤礦高濃度膠結(jié)充填料漿輸送特性研究[D];中國礦業(yè)大學(xué)（北京）;2014年

6 胡家國;電廠粉煤灰礦山充填膠凝機(jī)理研究及水化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)特性[D];中南大學(xué);2004年

中國碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 羅根平;大紅山銅礦塊石尾砂膠結(jié)充填工藝試驗(yàn)研究與應(yīng)用[D];昆明理工大學(xué);2015年

2 黃璐;分級(jí)尾砂膠結(jié)充填本構(gòu)關(guān)系的實(shí)驗(yàn)研究[D];昆明理工大學(xué);2016年

3 余溯;塊石膠結(jié)充填體聲發(fā)射特征試驗(yàn)研究[D];江西理工大學(xué);2015年

4 陳龍浩;巷式膠結(jié)充填開采巖層移動(dòng)變形規(guī)律模擬研究[D];中國礦業(yè)大學(xué);2015年

5 胡源;不同應(yīng)力路徑下塊石膠結(jié)充填體破壞聲發(fā)射頻率特性研究[D];江西理工大學(xué);2015年

6 李興尚;水砂膠結(jié)充填材料配合比的優(yōu)化研究[D];昆明理工大學(xué);2005年

7 肖洪彬;煤礦巷道矸石膠結(jié)充填工藝及裝備研究[D];山東科技大學(xué);2008年

8 姚志全;開陽磷礦黃磷渣膠結(jié)充填技術(shù)研究及可靠性分析[D];中南大學(xué);2009年

9 于海濤;赤泥膠結(jié)充填在煤礦中應(yīng)用可行性分析研究[D];遼寧工程技術(shù)大學(xué);2011年

10 李瑞龍;高濃尾礦膠結(jié)充填材料的試驗(yàn)研究[D];西安建筑科技大學(xué);2015年

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本文編號(hào)：625574