带状充填开采岩层移动机理研究

发布时间：2017-12-25 21:00

  本文关键词：带状充填开采岩层移动机理研究　出处：《中国矿业大学》2016年博士论文　论文类型：学位论文

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【摘要】：带状充填开采是一种将条带开采与充填开采控制岩层移动的优势相结合的部分充填开采方式,在最大限度回收地下煤炭资源的同时,既能满足地表变形控制需求、又能节约充填材料、降低充填采煤成本。尤其在目前我国东部矿区“三下”压煤严重、充填开采成本过高、条带开采资源回收率偏低、环境保护更加严格的背景及煤炭绿色开采政策的推动下,带状充填开采有着较广阔的应用前景。本文采用相似材料模拟、数值模拟分析和理论研究相结合的研究方法,对带状充填开采中复合支撑体承载机理、带状充填岩层移动变形规律、覆岩及地表移动变形预测等问题进行了系统的研究,主要取得了如下成果:(1)对相似材料模型监测方法和数值模拟方法进行了改进。将灯泡透镜、近景摄影测量以及图像识别技术相结合,提出了用于相似材料模型动态监测的光学图像法,该方法点位监测精度达±0.1mm,位移监测精度能达±0.01mm。同时,采用PFC模拟垮落带中岩层裂隙发育及破断特性,并采用FLAC模拟岩层移动变形过程的连续性,在离散颗粒与连续单元交界面接触规则下,建立PFC和FLAC之间力与位移数据传递,实现了离散-连续介质耦合分析,为研究带状充填开采岩层移动变形特征提供了有力的研究工具。(2)通过颗粒流数值模拟研究了复合支撑体在承载过程中的移动变形特征、应力运移规律及破坏形式。从留设煤柱对充填存在隔离作用,两者相互侧向限制、协同支撑上覆载荷作用这三个方面,揭示了留设煤柱与充填体协同作用机理。根据隔离煤柱在开采过程中的稳定性和复合支撑体的支撑特性,将复合支撑体分成了三类。基于极限平衡理论,建立了不同类型复合支撑体破碎区、塑性区和弹性区宽度的计算公式,提出了不同类型复合支撑体安全宽度的设计方法,为复合支撑体稳定性分析提供理论依据。(3)结合相似材料模拟分析了带状充填开采两个阶段中覆岩移动变形特征、破坏过程及空隙分析特征,结果表明:带状充填开采距煤层较近岩层的下沉呈波浪形,直到某一高度后波浪形转变成只有一个的平滑的瓢形。根据覆岩结构特征可以将岩层分为桥洞式垮落带、波浪式弯曲下沉带和同步弯曲下沉带,并分析了不同下沉带的岩层移动特征及空隙分布特征。同时,分析了带状充填开采覆岩动态下沉及下沉速度特征,结果表明覆岩在动态变形过程中存在明显的波动性,并且岩层下沉速度存在时间尺度效应。在此基础上,通过离散-连续介质耦合分析方法,分析了带状充填开采地表沉陷主控因素对沉陷控制的影响程度。(4)带状充填开采复合支撑体与结构岩层协同作用共同控制上覆岩层的沉降,主要结构岩层阻隔了下伏岩层破断,大幅度减小了有效下沉空间向上传播,同步结构岩层阻隔了多个波浪形下沉向上传播,使得其上覆岩层下沉呈平滑的盆地状。从采动程度角度来看,带状充填开采是通过复合支撑体将采空区分割成数个极不充分采动的区域,即减少了单独开采区域的地表下沉又削弱了各开采区域沉陷叠加影响,从而达到控制地表沉陷的目的。(5)根据结构岩层的控制机理,结合弹性地基上板模型与空间层状力学模型,建立了带状充填开采岩层移动耦合预测模型,同时为了更加精确的预计带状充填开采地表移动变形值,在传统的概率积分法预计模型基础上,建立适合于带状充填开采地表沉陷特征的等效叠加预计模型。在综合考虑地表移动变形值、复合支撑体的稳定性、社会效益和经济效益的基础上,提出带状充填开采沉陷控制设计方法,为获得准确的带状充填开采岩层及地表移动预测及灾害评估提供了有效的理论依据。
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TD823.7
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本文编号：1334399