固体密实充填采煤的矿压控制理论与应用研究
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摘要
综合机械化固体充填与综合机械化采煤技术相匹配，可将矿区煤矸石、粉煤灰等固体废弃物用机械化的方式直接充入采空区，置换出一般传统方法无法采出的煤炭资源，属煤矿绿色开采技术，是近年来我国煤矿科技方面取得的重大创新成果之一，为开采“三下”压煤和生态脆弱矿区煤炭资源的开发提供了一种具有完全独立自主知识产权的方法和技术途径。本文在简要介绍综合机械化固体充填采煤方法和工艺的基础上，采用理论建模、力学分析、实验测试、数值模拟、物理模拟和工程实践等多种方法，系统研究了固体密实充填的岩层移动特征、采场矿压特征、支架与围岩相互作用关系以及采场矿压和岩层移动控制机理，主要成果及创新性如下：
（1）在分析固体充填采煤采场围岩变形特征的基础上，建立了固体密实充填采煤采场覆岩弹性薄板力学模型，利用虚功原理推导出了固体密实充填采煤工作面基本顶的挠度方程，并进行了系统的力学分析，得到了控制基本顶不发生破断的临界条件。
（2）根据基本顶不发生破断的临界条件，得到了固体密实充填采煤工作面基本顶的最大拉应力与充填采煤液压支架支护强度p和采空区充实率的关系，分析得出基本顶的破断主要由充实率控制；给出了控顶范围内基本顶最大下沉量与支架支护强度p之间的关系，分析得出支架支护强度对控顶范围内顶板下沉量具有明显的控制作用，但具有一定的限度。
（3）通过对不同充实率条件下的数值模拟与物理模拟的结果分析，揭示了固体充填采煤岩层移动及矿压显现规律。研究表明，固体充填采煤可以控制覆岩仅发育弯曲下沉带和微小裂隙带，而不发育垮落带，可以有效降低工作面矿压显现的强度。
（4）根据固体充填采煤采场覆岩弹性薄板力学模型、数值模拟与物理模拟的研究结果，设计出了试验矿区固体充填采煤系统、试验区域采空区充实率及充填采煤液压支架支护强度，并成功进行了工业性试验，取得了良好的工程应用效果。
Coordinated with the mining technology, Fully-mechanized backfill technologyreplaces the coal resource which could not be recovered using conventional miningmethods with gangue, fly ash and other solid waste. This technology belongs to the greenmining system. It is one of significant innovation achievements of coal science andtechnology in recent years. Owning fully independent intellectual property rights, itprovides a kind of method and technology for exploiting the coal under buildings, railways,waterbodies (three unders), and the coal resource in fragile mining area. The thesis presentsoverlying strata movement and deformation, mutual relationship between supports andsurrounding rock, strata behaviors and control mechanism systematically adopting methodsof theoretical modeling, mechanics analysis, laboratory testing, numerical simulation,similar material simulation and industrial field tests after a brief introduction of backfillmining technics. The main research results and innovative achievements are as follows:
(1) An elastic thin plate mechanical model of main roof were established based onoverlying strata deformation characteristics of solid backfill mining, then deflectionequation of main roof using principle of virtual work were derived, and the criticalunbroken conditions of the main roof was obtained.
(2) The relation curves between maximum tensile stress of main roof and hydraulicsupport strength, filling ratios for solid backfill mining according to the unbrokenconditions of the main roof were obtained. Breakage of main roof is mainly determined byfilling ratios. The relationship of maximum subsidence value and hydraulic support strengthp in controlled face area was obtained, and it is shown that the hydraulic support strengthcan significantly control the roof subsidence in controlled face area but with definite limit.
(3) The strata movement and behavior characteristics for solid backfill mining wererevealed after analysis of numerical simulation and similar material simulation undercondition of different ratios. Research results show that overlying strata just developedbending zone and small fractured zone after solid backfill mining. And this technology caneffectively weaken strata behaviors.
(4) The system layout for solid backfill mining was designed. And the filling ratio andhydraulic support strength in the field test were also designed based on research result ofelastic thin plate mechanical model of overlying strata. Industrial test was successfully performed, and good economic and social benefits were obtained.
（1）在分析固体充填采煤采场围岩变形特征的基础上，建立了固体密实充填采煤采场覆岩弹性薄板力学模型，利用虚功原理推导出了固体密实充填采煤工作面基本顶的挠度方程，并进行了系统的力学分析，得到了控制基本顶不发生破断的临界条件。
（2）根据基本顶不发生破断的临界条件，得到了固体密实充填采煤工作面基本顶的最大拉应力与充填采煤液压支架支护强度p和采空区充实率的关系，分析得出基本顶的破断主要由充实率控制；给出了控顶范围内基本顶最大下沉量与支架支护强度p之间的关系，分析得出支架支护强度对控顶范围内顶板下沉量具有明显的控制作用，但具有一定的限度。
（3）通过对不同充实率条件下的数值模拟与物理模拟的结果分析，揭示了固体充填采煤岩层移动及矿压显现规律。研究表明，固体充填采煤可以控制覆岩仅发育弯曲下沉带和微小裂隙带，而不发育垮落带，可以有效降低工作面矿压显现的强度。
（4）根据固体充填采煤采场覆岩弹性薄板力学模型、数值模拟与物理模拟的研究结果，设计出了试验矿区固体充填采煤系统、试验区域采空区充实率及充填采煤液压支架支护强度，并成功进行了工业性试验，取得了良好的工程应用效果。
Coordinated with the mining technology, Fully-mechanized backfill technologyreplaces the coal resource which could not be recovered using conventional miningmethods with gangue, fly ash and other solid waste. This technology belongs to the greenmining system. It is one of significant innovation achievements of coal science andtechnology in recent years. Owning fully independent intellectual property rights, itprovides a kind of method and technology for exploiting the coal under buildings, railways,waterbodies (three unders), and the coal resource in fragile mining area. The thesis presentsoverlying strata movement and deformation, mutual relationship between supports andsurrounding rock, strata behaviors and control mechanism systematically adopting methodsof theoretical modeling, mechanics analysis, laboratory testing, numerical simulation,similar material simulation and industrial field tests after a brief introduction of backfillmining technics. The main research results and innovative achievements are as follows:
(1) An elastic thin plate mechanical model of main roof were established based onoverlying strata deformation characteristics of solid backfill mining, then deflectionequation of main roof using principle of virtual work were derived, and the criticalunbroken conditions of the main roof was obtained.
(2) The relation curves between maximum tensile stress of main roof and hydraulicsupport strength, filling ratios for solid backfill mining according to the unbrokenconditions of the main roof were obtained. Breakage of main roof is mainly determined byfilling ratios. The relationship of maximum subsidence value and hydraulic support strengthp in controlled face area was obtained, and it is shown that the hydraulic support strengthcan significantly control the roof subsidence in controlled face area but with definite limit.
(3) The strata movement and behavior characteristics for solid backfill mining wererevealed after analysis of numerical simulation and similar material simulation undercondition of different ratios. Research results show that overlying strata just developedbending zone and small fractured zone after solid backfill mining. And this technology caneffectively weaken strata behaviors.
(4) The system layout for solid backfill mining was designed. And the filling ratio andhydraulic support strength in the field test were also designed based on research result ofelastic thin plate mechanical model of overlying strata. Industrial test was successfully performed, and good economic and social benefits were obtained.
引文
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