矸石充填材料力学行为及控制岩层移动机理研究

发布时间：2020-11-19 23:43

　　 矸石充填材料本质上是一种非连续介质,在夯实系统夯实力与上覆岩层压力的作用下,矸石块体将发生旋转、滑移、咬合及破碎现象。充填体的压实变形特性应考虑矸石岩性、粒径级配及夯实力等主控因素的影响,从而为深入研究矸石充填体控制岩层移动机理提供理论基础。本论文基于影响充填体压实变形的主控因素,研制了散体充填材料双向加载试验系统,并综合运用理论分析、试验测试、数值模拟及工程实践等研究方法,测试了充填矸石的瞬时与蠕变压实力学特性,构建了多因素耦合作用下矸石充填材料瞬时压实本构方程与蠕变压实NMK本构模型;分析了充填矸石压实变形颗粒结构形态演化特征,揭示了矸石充填材料压实变形细观机理;建立了矸石充填材料控制采场顶板力学模型,揭示了充填体控制岩层移动机理,提出了矸石材料充填开采设计方法。取得了以下创新性成果:(1)提出了散体充填材料压实力学特性测试方法,研制了散体充填材料双向加载试验系统,测试得到了矸石岩性、粒径级配、侧向应力与侧压次数4种主控因素与瞬时压实特性的关系,构建了多因素耦合作用下矸石充填材料瞬时压实变形本构方程。(2)测试了不同加载应力水平下充填矸石蠕变压实特性,构建了分数阶矸石充填材料蠕变压实NMK本构模型,推导了NMK本构模型的三维蠕变方程,辨识了NMK本构模型的参数,实现了NMK本构模型的二次开发。(3)研究得到了矸石块体的边界轮廓特征,建立了矸石块体随机生成方法,分析了矸石充填材料压实变形、颗粒簇分布及颗粒结构形态演化特征,揭示了矸石充填材料压实变形细观机理。(4)建立了矸石充填材料控制采场顶板下沉力学模型,分析了主控因素影响顶板下沉的规律,揭示了矸石充填体控制岩层移动机理;提出了矸石材料充填开采设计方法,并进行了具体工程案例分析,验证了研究成果的合理性。
【学位单位】：中国矿业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TD823.7;TD325
【部分图文】：

图 1-4 充填材料压实特性测试仪器Figure 1-4 Testing apparatus of compaction properties of backfill materials（3）蠕变压实特性当破碎矸石被充填入采空区后，矸石充填材料受到的上覆岩层作用力由 0 逐渐增加，当达到一定压力后，矸石充填材料在蠕变压实作用下将继续发生变形，从而导致地表进一步发生变形，对地表建（构）筑物稳定性产生影响。有学者通过矸石充填材料蠕变压实试验，测试得到了矸石的蠕变压实特性，并初步构建了蠕变压实变形的本构模型。文献[39]根据充填矸石在压实后的时间相关性试验结果，选取 Poyting-Thomson 作为矸石的流变模型，分析得出了关键层的挠度及矸石充填体的流变公式。文献[54-55]对矸石与粉煤灰充填体的时间相关特性进行了测试，选取 PTH 体作为矸石与粉煤灰充填体的流变模型，得出了充填采煤工作面顶板的下沉量与时间关系曲线。文献[56]基于矸石充填材料蠕变压实特性试验，选取 PTH 体作为充填材料的蠕变模型，将顶板视为弹性薄板，建立了固体充填采煤顶板流变力学模型，如图 1-5 所示，根据“弹性-黏弹性”对应性原理，采用能量法求解得到

图 1-6 充填材料颗粒破碎模拟Figure 1-6 Simulation of particle breakage of backfill material，部分学者采用数值模拟方法对矸石充填材料压实由于矸石充填材料的块体形状比较复杂，其不规则时，在模拟时未考虑侧向加载对充填材料细观力学料压实变形细观机理还需要进一步研究。采岩层控制理论采煤技术是我国具有自主知识产权的重大创新成果采煤方法，利用井下采空区处理矸石等固体废弃物造成十分严重的矿区资源浪费和生态环境破坏问题上解决采动岩层破坏中的灾变问题（采场顶板灾害，而且可以有效利用矸石等固体废弃物，控制岩层移环境，提高煤炭资源采出率，延长矿井服务年限[6充填采煤技术的不断发展，国内外学者在充填开采

2.1 矸石充填材料试样采集与制备 (Sample Collection andPreparation of Gangue Backfill Materials)本文研究的散体充填材料主要以破碎矸石为主，直接从煤矿采集砂岩、泥岩、石灰岩与页岩 4 种典型岩性的矸石，以制备矸石充填材料试样。试验前，需要将 4种岩性的矸石进行破碎，首先采用破碎机将不同岩性的矸石破碎至粒径 50mm 以下，然后再人工破碎至 30mm 以下，并采用粒径分别为 5mm、10mm、15mm、20mm、25mm 和 30mm 的方孔石子筛逐级进行筛分，方孔石子筛如图 2-1 所示。（a）5 mm （b）10 mm （c）15 mm
【参考文献】

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本文编号：2890607