長壁綜采矸石充填與巖層運(yùn)動控制研究

實施矸石充填采煤技術(shù)開采礦井呆滯煤炭資源是實現(xiàn)煤礦綠色開采、提高煤炭采出率的核心內(nèi)容之一。本項目針對我國迫切需要開發(fā)的礦井呆滯煤炭資源開采技術(shù)展開深入的基礎(chǔ)理論與應(yīng)用研究，主要研究內(nèi)容和思路為:運(yùn)用巖層及地表移動控制的關(guān)鍵層理論和固體廢棄物充填開采理論，系統(tǒng)研究矸石充填材料級配和變形特性、矸石充填開采礦壓和巖層運(yùn)動規(guī)律，提出矸石充填開采巖層運(yùn)動的關(guān)鍵層礦壓模型和地表沉陷預(yù)測的等價采高方法，建立與長壁綜采技術(shù)銜接的高效矸石充填采煤方法、工藝和設(shè)備配套體系，并深入研究應(yīng)用矸石充填開采技術(shù)安全開采"三下"呆滯煤炭資源的原理和方法；初步建立矸石充填開采"三下"壓煤的矸石不出井直接充填采空區(qū)置換呆滯資源的煤礦減排增效生產(chǎn)模式。本項研究將傳統(tǒng)煤礦開采中"矸石露天排放"的觀念轉(zhuǎn)為"矸石不出井置換呆滯資源"加以合理利用，提高礦井煤炭采出率，減輕開采沉陷環(huán)境破壞，從而有力推動我國綠色采礦技術(shù)的發(fā)展。,實施矸石充填采煤技術(shù)開采礦井呆滯煤炭資源是實現(xiàn)煤礦綠色開采、提高煤炭采出率的核心內(nèi)容之一。本項目針對我國迫切需要開發(fā)的礦井呆滯煤炭資源開采技術(shù)展開深入的基礎(chǔ)理論與應(yīng)用研究，主要研究內(nèi)容和思路為:運(yùn)用巖層及地表移動控制的關(guān)鍵層理論和固體廢棄物充填開采理論，系統(tǒng)研究矸石充填材料級配和變形特性、矸石充填開采礦壓和巖層運(yùn)動規(guī)律，提出矸石充填開采巖層運(yùn)動的關(guān)鍵層礦壓模型和地表沉陷預(yù)測的等價采高方法，建立與長壁綜采技術(shù)銜接的高效矸石充填采煤方法、工藝和設(shè)備配套體系，并深入研究應(yīng)用矸石充填開采技術(shù)安全開采"三下"呆滯煤炭資源的原理和方法；初步建立矸石充填開采"三下"壓煤的矸石不出井直接充填采空區(qū)置換呆滯資源的煤礦減排增效生產(chǎn)模式。本項研究將傳統(tǒng)煤礦開采中"矸石露天排放"的觀念轉(zhuǎn)為"矸石不出井置換呆滯資源"加以合理利用，提高礦井煤炭采出率，減輕開采沉陷環(huán)境破壞，從而有力推動我國綠色采礦技術(shù)的發(fā)展。 2100433B

矸石充填綜采沿空留巷是實現(xiàn)煤礦綠色開采、提高煤炭采出率、降低深井開采三高危害的有效途徑。本項目針對我國迫切需要開發(fā)的深井大采高矸石充填綜采無煤柱沿空留巷技術(shù)展開深入的基礎(chǔ)理論與應(yīng)用研究，主要研究內(nèi)容和思路為：運(yùn)用采動巖體結(jié)構(gòu)運(yùn)動的關(guān)鍵層理論及充填開采沉陷控制理論，系統(tǒng)研究矸石充填材料壓實和蠕變特性以及矸石充填綜采沿空留巷圍巖的變形特點、應(yīng)力分布特征和支護(hù)結(jié)構(gòu)的作用機(jī)理；建立考慮充填矸石變形過程的矸石充填綜采巷道覆巖運(yùn)動關(guān)鍵層礦壓模型，揭示其礦山壓力與巖層運(yùn)動控制機(jī)理。建立頂板-煤幫-支護(hù)結(jié)構(gòu)-充填矸石耦合動力學(xué)模型，探討耦合系統(tǒng)響應(yīng)計算的方法，得到充填條件下關(guān)鍵層的破斷、運(yùn)動規(guī)律及成拱的條件。提出矸石充填綜采沿空留巷的原理，完善沿空留巷理論和技術(shù)。在分析采深、采高和充填物變形性質(zhì)對沿空留巷圍巖變形和破壞影響的基礎(chǔ)上，提出矸石充填綜采沿空留巷控制措施。

本項目針對我國迫切需要開發(fā)的深井大采高矸石充填綜采無煤柱沿空留巷技術(shù)，運(yùn)用理論研究、力學(xué)實驗、數(shù)值計算、相似材料實驗等手段，展開深入的基礎(chǔ)理論與應(yīng)用基礎(chǔ)研究，取得了以下結(jié)論和創(chuàng)新點： (1) 研究了自然含水、飽和及級配矸石的壓實特性，結(jié)果表明：原生矸石的卸載回彈應(yīng)變值較小，約為0.5%，發(fā)生的應(yīng)變基本為不可逆的塑性應(yīng)變；連續(xù)矸石級配n=0.4時，矸石體的抗壓縮能力最強(qiáng)。 (2)研制了破碎巖體多相耦合蠕變試驗裝置，系統(tǒng)研究了破碎矸石蠕變階段的位移、孔隙率、碎脹系數(shù)、壓實度、剛度系數(shù)等特征參數(shù)隨時間變化的規(guī)律以及水和粒徑對蠕變特性的影響。探討了破碎矸石的蠕變本構(gòu)關(guān)系，得到了破碎矸石固液耦合蠕變過程中的位移、孔隙率、碎脹系數(shù)、壓實度、剛度系數(shù)等特征參數(shù)隨時間變化的關(guān)系式。 (3)研究了矸石混凝土和土工袋裝矸石混合等巷旁支護(hù)體的承載和變形特性。矸石混凝土材料彈性模量與齡期的正相關(guān)關(guān)系主要體現(xiàn)在0～14d，之后彈性模量趨于穩(wěn)定，能較好適應(yīng)矸石充填綜采沿空留巷條件下頂板的給定變形；袋裝混合料壓實過程中載荷-位移關(guān)系由非線性向線性轉(zhuǎn)變，變形模量逐漸增大，最終趨于穩(wěn)定，能較好地適應(yīng)矸石充填綜采沿空留巷側(cè)面充填破碎矸石的擠壓變形。 (4)建立了矸石充填綜采多軟件耦合計算模型，研究了不同充實率下覆巖變形規(guī)律，提出了矸石充填綜采沿空留巷的原理：利用充填體對頂板和關(guān)鍵層位移的控制作用，降低作用在巷旁支護(hù)體上的載荷，確保巷旁支護(hù)體的穩(wěn)定性，增加留巷的成功率和安全性。建立了矸石充填綜采沿空留巷計算模型，研究了不同空頂距、支護(hù)體高度、支護(hù)體寬度及支護(hù)參數(shù)時巷道圍巖的變形規(guī)律和應(yīng)力分布特征。 (5)建立了頂板—支護(hù)結(jié)構(gòu)—充填矸石耦合力學(xué)模型，系統(tǒng)研究了頂板、支護(hù)結(jié)構(gòu)、充填矸石的相互作用， 進(jìn)行了工程算例分析、巷旁支護(hù)體阻力計算和穩(wěn)定性分析，得到了巷旁支護(hù)體的滑移和回轉(zhuǎn)失穩(wěn)判據(jù)。 (6)發(fā)明了矸石充填開采實驗方法，研制了充填開采相似試驗系統(tǒng)，構(gòu)建了矸石充填開采沿空留巷模型，研究了充填開采后覆巖的破壞特征、導(dǎo)水裂隙帶高度范圍以及充填沿空巷道圍巖和支護(hù)體的變形規(guī)律和應(yīng)力分布特征。 (7)提出了充填綜采沿空留巷的新方法、新工藝，進(jìn)行了深井大采高矸石充填綜采沿空留巷方案優(yōu)化，為相關(guān)工程實施提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和理論指導(dǎo)。 2100433B

《矸石膠結(jié)條帶充填開采的理論與應(yīng)用研究》編輯推薦：條帶充填不僅可以消化井下產(chǎn)生的矸石，使矸石不升井，消除矸石山對地面環(huán)境的影響，而且可以提高“三下”壓煤中的煤炭資源采出率，控制充填成本，是實現(xiàn)煤炭綠色開采的重要途徑。《矸石膠結(jié)條帶充填開采的理論與應(yīng)用研究》利用理論分析、數(shù)值模擬結(jié)合現(xiàn)場實測的方法對條帶充填開采的作用機(jī)理、充填參數(shù)及充填體和覆巖的穩(wěn)定性進(jìn)行研究，并結(jié)合現(xiàn)場工業(yè)性試驗對條帶充填開采的工藝及經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行分析。