深井超高水充填工作面充填体与煤柱协同承载机理研究

【摘要】：“三下”(建筑物下、铁路下、水体下)压煤问题是矿井采掘接续与可持续发展的关键制约因素,充填开采对于减少沉降幅度、保护地表生态环境具有重要作用。充填开采中充填体、煤柱形成了一种新的充填体—煤柱协同承载结构,共同维持着上覆岩层的稳定。本文以义能煤矿深井充填工作面为工程背景,在文献检索、现场调研、煤岩力学实验的基础上,分析了深部充填体与围岩的相互作用及充填体—煤柱承载结构的力学作用过程,建立了充填体—煤柱的承载结构模型;采用PFC颗粒流程序研究了不同充填率、不同充填强度下充填体—煤柱的承载特征,探究了其应力分布及破坏规律;采用FLAC3D有限差分程序研究了充填条件下不同宽度煤柱的应力分布及塑性区发育范围。得到了以下研究成果:1)当充填体强度大于上覆岩层的卸压值时,能够单独承载上覆岩层;当强度小于上覆岩层的卸压值时,充填体与煤柱协同承载上覆岩层,充填体对煤柱起到侧向支护作用,同时对上覆岩层起到支撑作用。2)构建了充填体—煤柱协同承载结构模型,该结构承载过程经历三个阶段:上覆岩层压力全部作用于煤柱之上、充填体开始发挥承载作用、充填体—煤柱协同承载作用。研究表明:当充填率超过90%时,煤柱的垂直方向上应力集中程度低,充填体与煤柱交界处产生的水平应力较小,当超高水充填料水灰比低于95%时,煤柱边缘出现塑性区,未出现破裂现象,基本顶产生小范围的破断,而关键层没有破断现象产生。3)探究了充填条件下区段煤柱的稳定性影响因素,分别为煤柱自身性质、地质条件、开采工艺。通过分析充填工作面不同宽度煤柱应力分布、塑性区范围及顶板下沉量,当煤柱宽度超过30m时,煤柱支承压力及塑性区发育范围趋于稳定,考虑到采出率及地表沉陷控制要求,区段合理煤柱宽度设计为30m。4)设计了带有骨架且可上下伸缩型柔性充填袋,改进了具体的二次充填实施方法,并基于二次充填技术,并对常规的超高水袋式充填技术进行了优化。