固體密實(shí)充填開采巖層移動(dòng)機(jī)理及變形預(yù)測(cè)研究.pdf

1、綜合機(jī)械化固體密實(shí)充填開采是一種利用固體廢棄物密實(shí)充填采空區(qū),嚴(yán)格控制巖層和地表移動(dòng)的綠色開采技術(shù),能夠有效的保護(hù)水體及地表建(構(gòu))筑物的安全,是科學(xué)采礦和綠色礦的重要的發(fā)展方向。工業(yè)實(shí)踐表明固體密實(shí)充填開采是目前最為有效的解放“三下”壓煤的采礦技術(shù)之一。本文針對(duì)目前固體密實(shí)充填開采技術(shù)理論存在的不足,通過(guò)相似材料模擬、實(shí)測(cè)分析和理論研究相結(jié)合的方式,系統(tǒng)研究固體密實(shí)充填開采巖層移動(dòng)機(jī)理、地表沉陷預(yù)計(jì)方法、充填質(zhì)量控制以及“三下”固體充

2、填采煤設(shè)計(jì)方法。通過(guò)本文的研究,主要取得如下成果:
　　1)通過(guò)文獻(xiàn)研究,詳細(xì)的分析闡述了固體充填開采技術(shù)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀。研究表明固體充填開采技術(shù)目前尚處于工業(yè)性試驗(yàn)階段,在關(guān)鍵設(shè)備的研發(fā)和充填工藝設(shè)計(jì)理論方面取得了一定的進(jìn)展,但固體密實(shí)充填理論技術(shù)體系在固體充填料設(shè)計(jì)理論、巖層移動(dòng)和地表沉陷機(jī)理及其變形預(yù)計(jì)、覆巖破壞規(guī)律及其裂隙帶高度計(jì)算以及充填質(zhì)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(guò)相似材料

3、模擬和鉆孔窺視揭示了固體密實(shí)充填開采覆巖破壞規(guī)律。固體密實(shí)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(shí)充填開采巖體結(jié)構(gòu)類型有散體結(jié)構(gòu)(采空區(qū)固體充填體,次要結(jié)構(gòu)體類型)、塊狀層裂結(jié)構(gòu)(斷裂帶,次要結(jié)構(gòu)體類型)和較完整的層狀結(jié)構(gòu)(彎曲帶和采動(dòng)影響帶外巖體,主要結(jié)構(gòu)體類型)。在此基礎(chǔ)上通過(guò)理論研究,分析了固體密實(shí)充填開采、非密實(shí)充填開采覆巖破壞機(jī)理,并給

4、出了相應(yīng)的覆巖破壞高度計(jì)算方法。
　　3)建立了固體密實(shí)充填開采巖層移動(dòng)力學(xué)模型。根據(jù)采動(dòng)煤系地層的沉積特點(diǎn),提出了固體密實(shí)充填開采兩種巖層移動(dòng)模式:有結(jié)構(gòu)關(guān)鍵層模式和無(wú)結(jié)構(gòu)關(guān)鍵層移動(dòng)模式。通過(guò)相似材料模擬分析研究了有結(jié)構(gòu)關(guān)鍵層和無(wú)結(jié)構(gòu)關(guān)鍵層情況下固體密實(shí)充填開采巖層移動(dòng)特征。在此基礎(chǔ)上,針對(duì)無(wú)結(jié)構(gòu)關(guān)鍵層巖層移動(dòng)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(shí)充填巖層移動(dòng)模型;針對(duì)有結(jié)構(gòu)關(guān)鍵層巖層移動(dòng)模式,巖層移動(dòng)模

5、型可有三部分組成,結(jié)構(gòu)關(guān)鍵層彈粘性地基梁模型、結(jié)構(gòu)關(guān)鍵層上方巖體幾何移動(dòng)模型、基巖面上方土體幾何移動(dòng)模型,并分別建立了各子模型。
　　4)建立了固體密實(shí)充填開采地表沉陷預(yù)計(jì)模型。根據(jù)單元層壓板力學(xué)模型,建立了單元巖板移動(dòng)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(duì)固體密實(shí)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(yù)計(jì),通過(guò)相似材料模擬和理論研究分析探討了固體密實(shí)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(shí)充填質(zhì)量控制框架體系。在詳細(xì)分析固體密實(shí)充填質(zhì)量影響因素的基礎(chǔ)上,從巖層移動(dòng)控制理論、充填質(zhì)量設(shè)計(jì)、充填質(zhì)量控制以及充填質(zhì)量監(jiān)測(cè)四個(gè)方面建立了固體密實(shí)充填質(zhì)量控制框架體系,并詳細(xì)研究了固體充填質(zhì)量控制框架體系中的關(guān)鍵技術(shù)。
　　6)提出了固體充填“三下”采煤設(shè)計(jì)方法。根據(jù)本文建立的固體充填