固體密實充填開采巖層移動機理及變形預測研究.pdf

1、綜合機械化固體密實充填開采是一種利用固體廢棄物密實充填采空區(qū),嚴格控制巖層和地表移動的綠色開采技術,能夠有效的保護水體及地表建(構)筑物的安全,是科學采礦和綠色礦的重要的發(fā)展方向。工業(yè)實踐表明固體密實充填開采是目前最為有效的解放“三下”壓煤的采礦技術之一。本文針對目前固體密實充填開采技術理論存在的不足,通過相似材料模擬、實測分析和理論研究相結合的方式,系統(tǒng)研究固體密實充填開采巖層移動機理、地表沉陷預計方法、充填質量控制以及“三下”固體充

2、填采煤設計方法。通過本文的研究,主要取得如下成果:
　　1)通過文獻研究,詳細的分析闡述了固體充填開采技術的國內外研究現(xiàn)狀。研究表明固體充填開采技術目前尚處于工業(yè)性試驗階段,在關鍵設備的研發(fā)和充填工藝設計理論方面取得了一定的進展,但固體密實充填理論技術體系在固體充填料設計理論、巖層移動和地表沉陷機理及其變形預計、覆巖破壞規(guī)律及其裂隙帶高度計算以及充填質量控制理論方面的研究存在明顯不足,需要開展深入研究。
　　2)通過相似材料

3、模擬和鉆孔窺視揭示了固體密實充填開采覆巖破壞規(guī)律。固體密實充填開采有效的控制了頂板的垮落,覆巖僅發(fā)育一定高度的斷裂帶,并且覆巖裂隙主要分布在采空區(qū)邊界上方,中部覆巖裂隙帶發(fā)育不明顯。固體密實充填開采巖體結構類型有散體結構(采空區(qū)固體充填體,次要結構體類型)、塊狀層裂結構(斷裂帶,次要結構體類型)和較完整的層狀結構(彎曲帶和采動影響帶外巖體,主要結構體類型)。在此基礎上通過理論研究,分析了固體密實充填開采、非密實充填開采覆巖破壞機理,并給

4、出了相應的覆巖破壞高度計算方法。
　　3)建立了固體密實充填開采巖層移動力學模型。根據(jù)采動煤系地層的沉積特點,提出了固體密實充填開采兩種巖層移動模式:有結構關鍵層模式和無結構關鍵層移動模式。通過相似材料模擬分析研究了有結構關鍵層和無結構關鍵層情況下固體密實充填開采巖層移動特征。在此基礎上,針對無結構關鍵層巖層移動模式,基于狀態(tài)空間原理建立了彈粘地基上的疊層梁和疊層板固體密實充填巖層移動模型;針對有結構關鍵層巖層移動模式,巖層移動模

5、型可有三部分組成,結構關鍵層彈粘性地基梁模型、結構關鍵層上方巖體幾何移動模型、基巖面上方土體幾何移動模型,并分別建立了各子模型。
　　4)建立了固體密實充填開采地表沉陷預計模型。根據(jù)單元層壓板力學模型,建立了單元巖板移動微分方程,并給出了在“函數(shù)-?”三維邊值條件下微分方程的解。研究發(fā)現(xiàn)基于層壓板建立的單元開采影響函數(shù)和概率積分法模型在形式上完全一致,但對固體密實充填開采而言概率積分法模型參數(shù)的含義與取值和垮落法開采具有一定的差異

6、性。為了穩(wěn)健預計,通過相似材料模擬和理論研究分析探討了固體密實充填開采概率積分法模型參數(shù)的具體含義和參數(shù)求取方法。
　　5)建立了固體密實充填質量控制框架體系。在詳細分析固體密實充填質量影響因素的基礎上,從巖層移動控制理論、充填質量設計、充填質量控制以及充填質量監(jiān)測四個方面建立了固體密實充填質量控制框架體系,并詳細研究了固體充填質量控制框架體系中的關鍵技術。
　　6)提出了固體充填“三下”采煤設計方法。根據(jù)本文建立的固體充填