固體充填材料力學(xué)特性研究及應(yīng)用.pdf

1、固體充填采煤技術(shù)通過將固體充填材料直接充入采空區(qū),置換出一般傳統(tǒng)方法無法采出的煤炭資源,屬煤礦綠色開采技術(shù)。作為該項技術(shù)的重要組成部分,近年來固體充填材料向多元化發(fā)展,種類包括矸石、粉煤灰、高原黃土、露天礦渣和風(fēng)積沙。固體充填材料的力學(xué)特性對采場充填標(biāo)準(zhǔn)的制定、充填體與圍巖變形特征的分析以及覆巖變形情況的預(yù)測等研究有重大意義。本文在簡要介紹固體充填采煤方法和巖層移動特征的基礎(chǔ)上,采用試驗研究、理論分析、數(shù)值模擬及現(xiàn)場實測等多種研究手段,

2、對固體充填材料的壓實變形機理以及基于固體充填材料的充實率控制進行研究,得到如下研究成果:
　　(1)在分析固體充填采煤和傳統(tǒng)垮落法開采巖層移動規(guī)律的不同之處的基礎(chǔ)上,研究固體充填材料力學(xué)特性對巖層移動控制的影響。通過相同地質(zhì)條件改變充填體變形模量的數(shù)值模擬結(jié)果可以得出,充填材料的力學(xué)特性對固體充填采煤地表控制起著明顯作用。
　　(2)通過電鏡掃描試驗,對固體充填材料的細(xì)觀結(jié)構(gòu)進行分析,探究其壓實變形的內(nèi)部機理,從顆粒大小及孔

3、隙結(jié)構(gòu)的角度分析了風(fēng)積沙、矸石、露天礦渣、高原黃土和粉煤灰的抗變形能力依次增大。又通過五種充填材料的壓實試驗,總結(jié)出在側(cè)限壓縮條件下的應(yīng)力—應(yīng)變、應(yīng)力—容重和壓實本構(gòu)特性規(guī)律,為固體充填采煤技術(shù)的實施提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的同時進行對比分析,進一步驗證風(fēng)積沙、矸石、露天礦渣、高原黃土和粉煤灰的抗變形能力依次增大。
　　(3)對矸石、粉煤灰、高原黃土、露天礦渣和風(fēng)積沙五種充填材料進行壓實流變試驗,得出如下結(jié)論:相同充填材料,軸向恒載作用力越大

4、,穩(wěn)定后的壓縮變形量越高;在壓力水平相同時,流變變形穩(wěn)定后風(fēng)積沙、矸石、露天礦渣、粉煤灰和高原黃土的變形量依次減小,由此可以看出,抗變形能力依次增大。
　　(4)基于充填材料壓實特性,對固體充填采煤控制覆巖移動的關(guān)鍵因素指標(biāo)充實率進行分析,提出固體充填采煤液壓支架夯實力2MPa設(shè)計指標(biāo)、充填工藝指標(biāo)充采質(zhì)量比。并根據(jù)壓實時間相關(guān)特性得出的試驗數(shù)據(jù),制定了基于固體充填材料的充填開采設(shè)計流程。通過在濟寧花園煤礦工業(yè)性實驗,驗證了基于充