安居矿巨厚火成岩下超高水材料充填开采技术研究

发布时间：2020-06-23 03:12

【摘要】：煤层覆岩存在巨厚火成岩,对煤矿开采来说既有有利的方面,也存在一定安全威胁。巨厚火成岩具有刚度大、强度大和厚度大的特点,其下沉挠度很小,能够对上覆岩起到很好的承载作用;但随着煤层的不断回采,火成岩与下方岩层出现离层,且离层间隙越来越大,火成岩内部积聚的弹性能也越来越大,当超过其极限破断距离时容易对工作面安全回采产生重大威胁,同时可能造成地表的不均匀下沉。充填开采技术在控制覆岩活动和地表沉陷方面具有很好的效果,但该技术很少在控制巨厚火成岩活动方面进行过实践。基于此,结合目标矿井属“三下”压煤矿区,提出了“安居矿巨厚火成岩下超高水材料充填开采技术研究”的研究课题。文章通过理论分析对巨厚火成岩的结构稳定性进行了研究,介绍了超高水材料充填开采技术,并针对此条件下进行了超高水材料充填开采技术参数优化的Flac~(3D)数值模拟研究。根据研究结果进行了地表移动变形预计和巨厚火成岩下超高水材料充填开采系统工艺的设计。主要研究过程与结果如下:(1)将实际条件下的巨厚火成岩简化成“两端固支梁”模型,基于弹性力学理论,分别求解了模型仅受均布载荷作用和火成岩自重作用下的应力分布表达式,从而得到其内部应力分布表达式;分析了火成岩最有可能先发生断裂的位置,通过边界条件计算表明火成岩的两端最先发生断裂,并由此推导出巨厚火成岩的极限破断距表达式。阐述了巨厚火成岩下超高水材料覆岩控制机理,超高水材料充填体与巨厚火成岩对工作面覆岩活动及地表移动变形起协同控制作用。(2)通过Flac~(3D)进行了巨厚火成岩下超高水材料充填开采技术参数的优化模拟研究。结果表明:巨厚火成岩下超高水材料充填开采对顶板及覆岩下沉控制效果显著,随着材料水体积分数的增大,覆岩下沉量呈增大趋势;在85%充填率条件下,使用水体积比不超过95.5%的超高水材料充填开采,对顶板控制作用明显;随着材料水体积比的减小,能够适当降低煤柱侧向支撑压力,弱化采场应力集中分布范围,抑制围岩进一步变形。(3)根据地表移动变形预计结果,采用超高水材料充填开采能够最大限度的减少地表建筑物的破坏,节省补偿费用。同时对巨厚火成岩下超高水材料充填开采系统进行了设计,包括充填袋、充填泵站能力及选址、充填管路及管径设计和充填支架的设计。该充填系统方案的设计具有一定的可靠性和可行性,能够实现在煤层上覆存有巨厚火成岩条件下超高水材料充填开采技术的应用。
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TD823.7
【图文】：

关系曲线,材料,固结体,强度

（c）A 料浆液（d）B 料浆液（e）AB 混合浆液图 3-1 超高水材料展示Figure3-1 Super-high-water material product display3.1.2 超高水材料基本特性（1）抗压强度超高水材料固结体早强特征明显，7 d 强度可达最终强度的 60%～90%，7d后强度增长缓慢，最终强度可达 0.66～1.65 MPa，如图 3-2 所示。图 3-3 是不同水体积材料固结体三面受限条件下强度随时间变化关系曲线。在三面受限条件下，超高水材料固结体强度可提高 25%[52]，井下围岩限制环境对于超高水材料强度特性的发挥非常有利。45度/MPa97% 96% 95% 94%93% 92% 91%

云图,初始模型,水体积,覆岩

（a）数值模型（b）原岩应力图 3-7 初始模型Figure3-7 Initial physical model3.3 超高水材料充填开采参数优化的数值分析研究(NumericalAnalysis of Parameter Optimization of Super-high-water MaterialBackfilling)3.3.1 工作面顶板下沉量分析（1）不同水体积分数对顶板下沉的影响控制充填率为 80%不变，改变材料水体积分数，分析覆岩下沉情况。模拟计算得到的不同水体积分数材料的覆岩下沉位移云图，如图 3-8 所示，其中图（h）是垮落法覆岩下沉云图。

【参考文献】