深井大采高矸石充填综采沿空留巷变形机理及控制项目摘要

矸石充填综采沿空留巷是实现煤矿绿色开采、提高煤炭采出率、降低深井开采三高危害的有效途径。本项目针对我国迫切需要开发的深井大采高矸石充填综采无煤柱沿空留巷技术展开深入的基础理论与应用研究，主要研究内容和思路为：运用采动岩体结构运动的关键层理论及充填开采沉陷控制理论，系统研究矸石充填材料压实和蠕变特性以及矸石充填综采沿空留巷围岩的变形特点、应力分布特征和支护结构的作用机理；建立考虑充填矸石变形过程的矸石充填综采巷道覆岩运动关键层矿压模型，揭示其矿山压力与岩层运动控制机理。建立顶板-煤帮-支护结构-充填矸石耦合动力学模型，探讨耦合系统响应计算的方法，得到充填条件下关键层的破断、运动规律及成拱的条件。提出矸石充填综采沿空留巷的原理，完善沿空留巷理论和技术。在分析采深、采高和充填物变形性质对沿空留巷围岩变形和破坏影响的基础上，提出矸石充填综采沿空留巷控制措施。

本项目针对我国迫切需要开发的深井大采高矸石充填综采无煤柱沿空留巷技术，运用理论研究、力学实验、数值计算、相似材料实验等手段，展开深入的基础理论与应用基础研究，取得了以下结论和创新点： (1) 研究了自然含水、饱和及级配矸石的压实特性，结果表明：原生矸石的卸载回弹应变值较小，约为0.5%，发生的应变基本为不可逆的塑性应变；连续矸石级配n=0.4时，矸石体的抗压缩能力最强。 (2)研制了破碎岩体多相耦合蠕变试验装置，系统研究了破碎矸石蠕变阶段的位移、孔隙率、碎胀系数、压实度、刚度系数等特征参数随时间变化的规律以及水和粒径对蠕变特性的影响。探讨了破碎矸石的蠕变本构关系，得到了破碎矸石固液耦合蠕变过程中的位移、孔隙率、碎胀系数、压实度、刚度系数等特征参数随时间变化的关系式。 (3)研究了矸石混凝土和土工袋装矸石混合等巷旁支护体的承载和变形特性。矸石混凝土材料弹性模量与龄期的正相关关系主要体现在0～14d，之后弹性模量趋于稳定，能较好适应矸石充填综采沿空留巷条件下顶板的给定变形；袋装混合料压实过程中载荷-位移关系由非线性向线性转变，变形模量逐渐增大，最终趋于稳定，能较好地适应矸石充填综采沿空留巷侧面充填破碎矸石的挤压变形。 (4)建立了矸石充填综采多软件耦合计算模型，研究了不同充实率下覆岩变形规律，提出了矸石充填综采沿空留巷的原理：利用充填体对顶板和关键层位移的控制作用，降低作用在巷旁支护体上的载荷，确保巷旁支护体的稳定性，增加留巷的成功率和安全性。建立了矸石充填综采沿空留巷计算模型，研究了不同空顶距、支护体高度、支护体宽度及支护参数时巷道围岩的变形规律和应力分布特征。 (5)建立了顶板—支护结构—充填矸石耦合力学模型，系统研究了顶板、支护结构、充填矸石的相互作用， 进行了工程算例分析、巷旁支护体阻力计算和稳定性分析，得到了巷旁支护体的滑移和回转失稳判据。 (6)发明了矸石充填开采实验方法，研制了充填开采相似试验系统，构建了矸石充填开采沿空留巷模型，研究了充填开采后覆岩的破坏特征、导水裂隙带高度范围以及充填沿空巷道围岩和支护体的变形规律和应力分布特征。 (7)提出了充填综采沿空留巷的新方法、新工艺，进行了深井大采高矸石充填综采沿空留巷方案优化，为相关工程实施提供了基础数据和理论指导。 2100433B

实施矸石充填采煤技术开采矿井呆滞煤炭资源是实现煤矿绿色开采、提高煤炭采出率的核心内容之一。本项目针对我国迫切需要开发的矿井呆滞煤炭资源开采技术展开深入的基础理论与应用研究，主要研究内容和思路为:运用岩层及地表移动控制的关键层理论和固体废弃物充填开采理论，系统研究矸石充填材料级配和变形特性、矸石充填开采矿压和岩层运动规律，提出矸石充填开采岩层运动的关键层矿压模型和地表沉陷预测的等价采高方法，建立与长壁综采技术衔接的高效矸石充填采煤方法、工艺和设备配套体系，并深入研究应用矸石充填开采技术安全开采"三下"呆滞煤炭资源的原理和方法；初步建立矸石充填开采"三下"压煤的矸石不出井直接充填采空区置换呆滞资源的煤矿减排增效生产模式。本项研究将传统煤矿开采中"矸石露天排放"的观念转为"矸石不出井置换呆滞资源"加以合理利用，提高矿井煤炭采出率，减轻开采沉陷环境破坏，从而有力推动我国绿色采矿技术的发展。,实施矸石充填采煤技术开采矿井呆滞煤炭资源是实现煤矿绿色开采、提高煤炭采出率的核心内容之一。本项目针对我国迫切需要开发的矿井呆滞煤炭资源开采技术展开深入的基础理论与应用研究，主要研究内容和思路为:运用岩层及地表移动控制的关键层理论和固体废弃物充填开采理论，系统研究矸石充填材料级配和变形特性、矸石充填开采矿压和岩层运动规律，提出矸石充填开采岩层运动的关键层矿压模型和地表沉陷预测的等价采高方法，建立与长壁综采技术衔接的高效矸石充填采煤方法、工艺和设备配套体系，并深入研究应用矸石充填开采技术安全开采"三下"呆滞煤炭资源的原理和方法；初步建立矸石充填开采"三下"压煤的矸石不出井直接充填采空区置换呆滞资源的煤矿减排增效生产模式。本项研究将传统煤矿开采中"矸石露天排放"的观念转为"矸石不出井置换呆滞资源"加以合理利用，提高矿井煤炭采出率，减轻开采沉陷环境破坏，从而有力推动我国绿色采矿技术的发展。 2100433B

沿空留巷巷旁充填体经历顶板活动持续时间长、产生应力集中度高、动压影响强烈，充填体与顶板关键块结构相互作用关系研究不足，充填体力学性能设计不合理导致沿空留巷关键块结构失稳、围岩强烈变形甚至报废的现象时有发生。为此，开展沿空留巷巷旁充填体稳定机理研究，主要包括：1）分析基本顶破断与充填体相互作用关系，建立沿空留巷关键块结构三维力学模型，研究该结构的稳定状况与充填体力学性能的关系及影响规律；2）在保持关键块结构稳定的前提下，研究充填体应具备的力学性能，分析充填体变形特征、塑性区演化规律及承载变化规律，研究充填体变形与承载的主要影响因素及效应，确定充填体力学性能；3）研究塑性状态充填体的稳定性判别准则，分析侧向约束力与塑性状态充填体的相互作用关系，揭示充填体稳定机理，开发保持塑性状态充填体稳定的控制方法。研究成果可为沿空留巷巷旁充填体力学性能的确定与充填体稳定性控制提供依据。