矸石充填开采沉陷控制基础问题研究

矸石充填开采是一种集“减沉”与“减排”为一体的新型环境相容开采技术措施,也是绿色开采技术体系的核心内容之一。本文针对矸石充填开采中的矸石压缩性能、研究方法、沉陷控制机理及效果、充填模式等相关问题进行了研究。 开展了矸石现场筛分试验工作,获取了原生矸石粒径分布规律,并采用分形和数理统计方法确定了矸石筛分试验过程中的必要筛分量。在分析矸石压缩试验可靠性以及压缩性能与粒径分布关系基础上,提出了原生矸石压缩性能测试方法,开展了原生矸石的压缩性能测试工作;并采用连续级配、均匀配方设计方法以抗压缩性能为评价准则对矸石级配进行优化。在此基础上,结合岩层移动相似准则,推导了矸石充填静动态相似模拟准则,提出了采用海绵、泡沫塑料等材料混合充填以模拟不同压缩性能矸石的相似材料配置方法;同时分析了矸石非线性变形特征、数值模型参数对地表沉陷、覆岩破坏高度的影响度。以此为基础,采用相似材料模拟、数值模拟方法对矸石充填岩层移动规律、沉陷控制机理进行了研究,并结合理论分析进一步对沉陷控制影响因素、减沉(缓沉)、覆岩破坏高度的影响机理及控制幅度进行了界定,提出了矸石充填地表沉陷预计的等效采厚计算模型。分析了矿区矸石产量与充填量之间的关系;以弹性地基梁理论为基础,建立了矸石条带充填的关键层变形力学模型。采用数值模拟和理论分析方法对关键层、充填体和煤柱之间的协同作用关系进行了研究探讨,提出了煤柱、充填体承载特性的计算方法。