長(zhǎng)壁綜采矸石充填與巖層運(yùn)動(dòng)控制研究成果摘要

實(shí)施矸石充填采煤技術(shù)開(kāi)采礦井呆滯煤炭資源是實(shí)現(xiàn)煤礦綠色開(kāi)采、提高煤炭采出率的核心內(nèi)容之一。本項(xiàng)目針對(duì)我國(guó)迫切需要開(kāi)發(fā)的礦井呆滯煤炭資源開(kāi)采技術(shù)展開(kāi)深入的基礎(chǔ)理論與應(yīng)用研究，主要研究?jī)?nèi)容和思路為:運(yùn)用巖層及地表移動(dòng)控制的關(guān)鍵層理論和固體廢棄物充填開(kāi)采理論，系統(tǒng)研究矸石充填材料級(jí)配和變形特性、矸石充填開(kāi)采礦壓和巖層運(yùn)動(dòng)規(guī)律，提出矸石充填開(kāi)采巖層運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵層礦壓模型和地表沉陷預(yù)測(cè)的等價(jià)采高方法，建立與長(zhǎng)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(kāi)采技術(shù)安全開(kāi)采"三下"呆滯煤炭資源的原理和方法；初步建立矸石充填開(kāi)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(xiàng)研究將傳統(tǒng)煤礦開(kāi)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(kāi)采沉陷環(huán)境破壞，從而有力推動(dòng)我國(guó)綠色采礦技術(shù)的發(fā)展。,實(shí)施矸石充填采煤技術(shù)開(kāi)采礦井呆滯煤炭資源是實(shí)現(xiàn)煤礦綠色開(kāi)采、提高煤炭采出率的核心內(nèi)容之一。本項(xiàng)目針對(duì)我國(guó)迫切需要開(kāi)發(fā)的礦井呆滯煤炭資源開(kāi)采技術(shù)展開(kāi)深入的基礎(chǔ)理論與應(yīng)用研究，主要研究?jī)?nèi)容和思路為:運(yùn)用巖層及地表移動(dòng)控制的關(guān)鍵層理論和固體廢棄物充填開(kāi)采理論，系統(tǒng)研究矸石充填材料級(jí)配和變形特性、矸石充填開(kāi)采礦壓和巖層運(yùn)動(dòng)規(guī)律，提出矸石充填開(kāi)采巖層運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵層礦壓模型和地表沉陷預(yù)測(cè)的等價(jià)采高方法，建立與長(zhǎng)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(kāi)采技術(shù)安全開(kāi)采"三下"呆滯煤炭資源的原理和方法；初步建立矸石充填開(kāi)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(xiàng)研究將傳統(tǒng)煤礦開(kāi)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(kāi)采沉陷環(huán)境破壞，從而有力推動(dòng)我國(guó)綠色采礦技術(shù)的發(fā)展。 2100433B

矸石充填綜采沿空留巷是實(shí)現(xiàn)煤礦綠色開(kāi)采、提高煤炭采出率、降低深井開(kāi)采三高危害的有效途徑。本項(xiàng)目針對(duì)我國(guó)迫切需要開(kāi)發(fā)的深井大采高矸石充填綜采無(wú)煤柱沿空留巷技術(shù)展開(kāi)深入的基礎(chǔ)理論與應(yīng)用研究，主要研究?jī)?nèi)容和思路為：運(yùn)用采動(dòng)巖體結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵層理論及充填開(kāi)采沉陷控制理論，系統(tǒng)研究矸石充填材料壓實(shí)和蠕變特性以及矸石充填綜采沿空留巷圍巖的變形特點(diǎn)、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(guò)程的矸石充填綜采巷道覆巖運(yùn)動(dòng)關(guān)鍵層礦壓模型，揭示其礦山壓力與巖層運(yùn)動(dòng)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(dòng)力學(xué)模型，探討耦合系統(tǒng)響應(yīng)計(jì)算的方法，得到充填條件下關(guān)鍵層的破斷、運(yùn)動(dòng)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(duì)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(xiàng)目針對(duì)我國(guó)迫切需要開(kāi)發(fā)的深井大采高矸石充填綜采無(wú)煤柱沿空留巷技術(shù)，運(yùn)用理論研究、力學(xué)實(shí)驗(yàn)、數(shù)值計(jì)算、相似材料實(shí)驗(yàn)等手段，展開(kāi)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(diǎn)： (1) 研究了自然含水、飽和及級(jí)配矸石的壓實(shí)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(jí)配n=0.4時(shí)，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?cè)囼?yàn)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(shí)度、剛度系數(shù)等特征參數(shù)隨時(shí)間變化的規(guī)律以及水和粒徑對(duì)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(guò)程中的位移、孔隙率、碎脹系數(shù)、壓實(shí)度、剛度系數(shù)等特征參數(shù)隨時(shí)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(shí)過(guò)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(jì)算模型，研究了不同充實(shí)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(duì)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(jì)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(shí)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(jì)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(kāi)采實(shí)驗(yàn)方法，研制了充填開(kāi)采相似試驗(yàn)系統(tǒng)，構(gòu)建了矸石充填開(kāi)采沿空留巷模型，研究了充填開(kāi)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(shí)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(kāi)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(duì)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(shí)現(xiàn)煤炭綠色開(kāi)采的重要途徑?！俄肥z結(jié)條帶充填開(kāi)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(chǎng)實(shí)測(cè)的方法對(duì)條帶充填開(kāi)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(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)對(duì)條帶充填開(kāi)采的工藝及經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行分析。