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固体密实充填回收房式煤柱围岩稳定性控制研究

安百富  
【摘要】:受制于落后的地区经济发展及技术装备水平,晋陕蒙交界地区过去长期采用房式采煤法,遗留了大量煤柱于井下,形成呆滞煤量。这不仅造成了巨大的资源浪费,而且容易引发矿井火灾、矿震等灾害。如何安全高效回收房式煤柱已成亟待解决的重大科学与工程技术难题。日趋成熟、可有效控制岩层移动、减少地表沉陷的机械化固体密实充填采煤技术为该目标的实现提供了一条安全有效的技术途径。本文提出了固体密实充填回收房式煤柱的体系和方法,采用现场调研、理论分析、实验室试验、数值模拟及物理模拟等多种手段相结合的综合研究方法,分析了固体密实充填回收房式煤柱采场围岩结构特点及各组成部分之间的相互作用关系,指出了固体密实充填回收房式煤柱采场围岩稳定性控制的关键因素,研究了液压支架支护强度、充填物料力学特性、对充填物料的初始压实力等因素对围岩应力分布及煤柱塑性区发育的影响机理。主要取得了以下创新性成果:(1)建立了非线性弹性地基薄板模型,将煤柱等效为弹性地基系数随时间减小的非线性弹性地基,揭示了煤柱支撑能力减弱至失稳的动态变化规律,得到了顶板变形和煤柱失稳的计算公式,给出了煤柱-顶板系统和时间相关的失稳判据及其判断方法。(2)提出了固体密实充填回收房式煤柱的方法,得到了其围岩控制的控制关键;建立了充填物料-煤柱-基本顶的非均匀多参数非线性弹性地基薄板模型,采用有限元法构建了基本顶变形的控制方程,得到了煤柱和顶板失稳的临界条件,给出了相应的风积沙和黄土混合物料的临界配比。(3)基于充填物料的压实变形特性,采用物理模拟和ABAQUS数值模拟相结合的方法研究了垮落法和充填回收房式煤柱的煤柱变形和覆岩移动特征,分析了煤柱、充填物料、液压支架及基本顶的相互作用关系,揭示了充填回收房式煤柱采场围岩稳定性的演化规律。(4)提出了固体密实充填回收房式煤柱的工程设计方法,给出了采空区充填指标的设计方法;设计了充填指标及采场围岩稳定性监测反馈体系。


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