开采沉陷塑性损伤结构理论与冒矸空隙注浆充填技术的研究

【摘要】： 矿山开采沉陷是具有初始损伤的煤岩体在采动应力作用下所发生的再变形和再 破坏过程，煤岩体中的损伤影响着煤岩体的力学行为和变形破坏特征。本文的研究可 分为两个部分： 1．开采沉陷理论模型及应用 建立了开采沉陷塑性损伤结构理论。在不可逆过程热力学框架内推导了岩体塑性 损伤耦合的本构方程。塑性损伤结构理论中，选用二阶正交损伤张量来描述岩体的损 伤。损伤模型从含裂纹单元的细观入手，通过均匀化处理，将损伤张量引入到 Mohr-Coulomb条件中，建立了损伤修正的Mohr-Coulomb临界条件。模型既考虑了剪 切强度劣化，又可反映摩擦系数降低。根据此理论设计和改进了开采沉陷有限元计算 程序，经实例验证，程序计算的结果可靠。应用本文的程序对某矿具体地质条件下充 填开采的充填体及煤层顶板变形破坏进行了模拟研究。对煤层顶板冒落、压实规律进 行了相似材料试验和数值模拟分析。 2．开采沉陷控制技术 对采空区冒矸空隙注浆胶结充填技术的减沉原理进行了探讨。研究了充填系统 （包括胶结剂特性、充填材料的配比、充填体的力学特性）及充填工艺。目前，在我 国燃煤电厂年排放约2亿吨粉煤灰（包括飞灰和灰渣），因此粉煤灰作为充填材料有 广泛的来源。冒矸空隙注浆胶结充填技术不仅是一项有效的开采沉陷控制措施，同时 对粉煤灰的处置、减少其占用耕地和环境污染有重要意义。