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固体密实充填开采岩层移动机理及变形预测研究

作　者: 王磊
导　师: 郭广礼
学　校: 中国矿业大学
专　业: 大地测量学与测量工程
关键词: 固体密实充填开采岩层移动模型沉陷预计结构主关键层概率积分法
分类号: TD325
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

综合机械化固体密实充填开采是一种利用固体废弃物密实充填采空区，严格控制岩层和地表移动的绿色开采技术，能够有效的保护水体及地表建（构）筑物的安全，是科学采矿和绿色矿的重要的发展方向。工业实践表明固体密实充填开采是目前最为有效的解放“三下”压煤的采矿技术之一。本文针对目前固体密实充填开采技术理论存在的不足，通过相似材料模拟、实测分析和理论研究相结合的方式，系统研究固体密实充填开采岩层移动机理、地表沉陷预计方法、充填质量控制以及“三下”固体充填采煤设计方法。通过本文的研究，主要取得如下成果：1）通过文献研究，详细的分析阐述了固体充填开采技术的国内外研究现状。研究表明固体充填开采技术目前尚处于工业性试验阶段，在关键设备的研发和充填工艺设计理论方面取得了一定的进展，但固体密实充填理论技术体系在固体充填料设计理论、岩层移动和地表沉陷机理及其变形预计、覆岩破坏规律及其裂隙带高度计算以及充填质量控制理论方面的研究存在明显不足，需要开展深入研究。2）通过相似材料模拟和钻孔窥视揭示了固体密实充填开采覆岩破坏规律。固体密实充填开采有效的控制了顶板的垮落，覆岩仅发育一定高度的断裂带，并且覆岩裂隙主要分布在采空区边界上方，中部覆岩裂隙带发育不明显。固体密实充填开采岩体结构类型有散体结构（采空区固体充填体，次要结构体类型）、块状层裂结构（断裂带，次要结构体类型）和较完整的层状结构（弯曲带和采动影响带外岩体，主要结构体类型）。在此基础上通过理论研究，分析了固体密实充填开采、非密实充填开采覆岩破坏机理，并给出了相应的覆岩破坏高度计算方法。3）建立了固体密实充填开采岩层移动力学模型。根据采动煤系地层的沉积特点，提出了固体密实充填开采两种岩层移动模式：有结构关键层模式和无结构关键层移动模式。通过相似材料模拟分析研究了有结构关键层和无结构关键层情况下固体密实充填开采岩层移动特征。在此基础上，针对无结构关键层岩层移动模式，基于状态空间原理建立了弹粘地基上的叠层梁和叠层板固体密实充填岩层移动模型；针对有结构关键层岩层移动模式，岩层移动模型可有三部分组成，结构关键层弹粘性地基梁模型、结构关键层上方岩体几何移动模型、基岩面上方土体几何移动模型，并分别建立了各子模型。4）建立了固体密实充填开采地表沉陷预计模型。根据单元层压板力学模型，建立了单元岩板移动微分方程，并给出了在“-函数”三维边值条件下微分方程的解。研究发现基于层压板建立的单元开采影响函数和概率积分法模型在形式上完全一致，但对固体密实充填开采而言概率积分法模型参数的含义与取值和垮落法开采具有一定的差异性。为了稳健预计，通过相似材料模拟和理论研究分析探讨了固体密实充填开采概率积分法模型参数的具体含义和参数求取方法。5）建立了固体密实充填质量控制框架体系。在详细分析固体密实充填质量影响因素的基础上，从岩层移动控制理论、充填质量设计、充填质量控制以及充填质量监测四个方面建立了固体密实充填质量控制框架体系，并详细研究了固体充填质量控制框架体系中的关键技术。6）提出了固体充填“三下”采煤设计方法。根据本文建立的固体充填开采岩层移动理论，覆岩破坏计算方法，结合“三下”固体充填采煤的控制目标不同，依据相关技术规范提出了水体下固体充填采煤、建（构）筑物下固体充填采煤的的具体设计方法，并将其用于平煤十二矿建（构）筑物下固体充填试采区，取得了良好的工程实践效果。该论文有图109幅，表27个，参考文献153篇。

固体密实充填开采岩层移动机理及变形预测研究

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