矸石直接充填综采岩层移动控制及其应用研究

我国煤矿目前面临“三下”(建筑物下、铁路下、水体下)压煤多、矸石排放量大、造成矿井煤炭资源采出率低、环境污染严重等问题,自主研发的矸石直接充填综采具有机械化程度高、开采系统布置简单及开采成本低等诸多优点,是实现“三下”压煤规模化开采的新技术。矸石直接充填综采的关键技术问题是充填矸石如何控制岩层的移动,以确保地表变形在允许范围之内。本论文基于岩层控制的关键层理论,针对充填矸石的物理力学特性及覆岩层的结构特点,综合运用试验分析、理论分析、数值模拟等方法与手段,系统研究了矸石充填综采采场矿压显现规律、关键层运动及地表变形特征。研究表明,矸石充填限定了关键层弯曲下沉,可有效控制地表变形,并取得了以下创新性成果: (1)在系统研究矸石充填体压实特性和时间相关性基础上,提出了分析矸石充填开采矿压规律的等价采高模型,分析了充填综采与传统综采支护强度的差异,给出了充填综采支架支护强度计算关系式及与传统综采相比的修正系数,揭示了充填综采较传统综采采场矿压显现减弱的力学机理。 (2)基于岩层控制的关键层理论,提出了限定关键层弯曲下沉量的充填开采地表沉陷控制原理;并运用弹性地基梁理论与PTh流变模型,研究了关键层的弯曲变形、弹性地基系数及其下部岩层的流变特性,得到了关键层弯曲变形的时间相关特性。 (3)采用数值模拟方法,研究了充填综采覆岩应力分布及变形移动特征,揭示了充填综采覆岩移动的动态变化规律,分析了充填综采充填材料弹性模量对关键层弯曲下沉及地表变形影响机理。 (4)基于对充填开采中矿压理论和地表沉陷规律的系统力学研究,设计出了矸石直接充填综采的新方法与新工艺,研究设计了矸石充填液压支架及自压式矸石充填输送机等充填综采设备,并成功应用于翟镇煤矿的矸石直接充填综采实践,取得了良好的经济与社会效益。