煤矿矸石压实力学特性及其在充填采煤中的应用

综合机械化固体充填采煤是近年来发展起来的新的采煤方法，它将煤矸石、粉煤灰、建筑垃圾等固体废弃物密实充填至采空区，实现了“三下”压煤等难开采煤层的高效安全开采，同时，可有效减少或消除煤炭开采引起的地质灾害与环境污染等问题，是煤炭资源绿色开采的重要研究方向。充填材料（矸石、粉煤灰等）的压实特性与充填采煤岩层移动规律研究是实施固体密实充填采煤技术的重要基础。本文综合采用理论分析、实验测试、数值模拟和现场实测等方法，对煤矿矸石压实的细观机理、宏观规律、固体充填采煤岩层移动理论等方面进行了系统的研究，取得了如下主要创新性成果： （1）基于煤矿矸石压实力学特性试验，研究了侧限压实条件下煤矿矸石粒径级配的分形特征，得到了不同岩性、初始粒径级配的试样在不同压实应力水平下的分形维数；结合颗粒破碎的分形特征，从能量角度建立了压实过程中试样的宏观变形与颗粒破碎特征的关系。 （2）研制开发了随机碎石几何模型生成程序RGM，程序可生成形状随机且满足指定粒径级配要求的破碎矸石几何模型。通过将RGM生成的随机碎石几何模型模导入颗粒流软件PFC3d，建立了不规则颗粒形状的破碎矸石压实数值模型，实现了PFC3d数值模拟中细观力学参数与宏观实验力学参数的有效转换，并进行了压实特性的数值试验，得到了不同岩性试样的颗粒破碎、压实应变-应力关系和侧压系数K0在压实过程中的变化规律。 （3）基于煤矿矸石的压实特性及充填采煤覆岩移动特征，建立了固体充填采煤岩层移动的双参数Winkler地基板模型，分析得到了工作面基本顶的挠度、弯曲内力和应力分布的解析解，并给出了充填采煤覆岩不破断的条件及其随充填材料力学特性参数的变化规律。 （4）成功地将煤矿矸石压实变形规律用于某矿试验充填采煤工作面覆岩移动规律的数值模拟，得到了工作面覆岩下沉变形、应力分布、塑性区分布及充填体受力特征随工作面推进距离的变化规律，并与现场实测结果比较，印证了充填采煤岩层移动双参数Winkler地基板模型的合理性。