建筑物下条带开采冒落区注浆充填减沉技术的理论研究

论文摘要

条带开采和充填开采既是建筑物下压煤开采的常用技术途径,又是煤矿绿色开采技术体系的重要组成部分。但前者受回收率低的制约,后者受成本高、工艺复杂等因素的影响,限制了两者在煤矿的应用。为此,组合两者优点,基于关键层理论和煤矿绿色开采理念,提出了条带开采冒落区注浆充填减沉新技术。本论文对其基础理论问题进行了深入系统研究。为研究条带开采冒落区破碎矸石堆体的可注性问题,运用分形理论研究了条带开采冒落矸石堆体形态、空隙分布特征。构建了煤矿冒落区空隙分布分形模型,并根据煤矿地质开采条件和采煤工作面参数确定了分形维数的计算方法,在此基础上建立了冒落区注浆空隙体积计算公式。该公式的正确性在祁东煤矿冒落区注浆充填堵水工程中得到验证,并用该公式对某煤矿建筑物下条带开采冒落区注浆充填量进行了预计。提出了冒落矸石注浆充填体概念;为了研究其工程力学特征,研制了一套室内力学测试装置,并引入了PFC颗粒元数值试验方法。通过室内力学试验和数值试验分析了不同充填率、充填方式和岩性等因素对条带冒落矸石注浆充填体工程力学特性的影响,结果表明:在有围压条件下,冒矸注浆充填体是良好的地下承载结构体,可以减缓覆岩沉降,限制煤岩柱侧向变形。通过物理模拟方法,首次研究了冒落区注浆充填中覆岩关键层的运动特征,分析了冒落区充填开采与垮落法开采的覆岩关键层破断失稳之差异,结合理论推导得出:基于关键层进行条带开采设计,冒落区注浆充填可以扩大条带采宽。根据条带开采冒落区注浆充填减沉技术的工程布置特点,建立了“冒落矸石充填体—煤柱—关键层”共同承载结构力学模型,分析了条带开采冒落区注浆充填减小地表沉陷的机理;借助PFC颗粒元数值试验和相似材料物理模拟揭示了冒落区充填体、煤柱与关键层三者之间相互作用的减沉力学机理。提出了充填减沉置换当量概念,结合本论文理论研究成果,建立了条带开采冒落区注浆充填减沉技术的设计方法,并对某县城下条带开采冒落区注浆充填采煤工业试验方案进行了设计;基于绿色开采理念,提出了煤电一体化充填新工艺,并以工业试验方案为例,对该项新工艺进行了初步设计。为了对煤矿充填新技术适用性进行评估,提出了煤矿采充均衡评价原则,研究了条带开采冒落区注浆充填开采的采充均衡问题,结果表明该技术能够实现采充均衡。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 问题的提出与研究意义（INTRODUCTION OF THE PROBLEM AND RESEARCH MEANING）
• 1.2 文献综述（LITERATURE REVIEW）
• 1.2.1 开采沉陷机理的研究综述（Mechanism of Mining Subsidence）
• 1.2.2 部分开采减沉技术综述（Partial Mining for Ground Subsidence Control in Coal Mining）
• 1.2.3 采空区全部充填减沉开采技术综述（Goaf filling for Ground Subsidence Control in Coal Mining）
• 1.2.4 煤矿部分充填开采减沉技术综述（Technology of Partial-filling to Control Coal mining Subsidence）
• 1.2.5 离层注浆充填减沉开采技术综述（The Method of Lowering down Surface Subsidence by Injecting Clay Grouts into Separated Layer in Overlying Strata）
• 1.2.6 冒落区注浆充填减沉技术研究综述（Cave Backfill grouting for Ground Subsidence Control in Coal Mining）
• 1.2.7 充填体工程力学作用机理研究综述（Backfill Mechanical Properties）
• 1.3 主要研究内容及技术路线（METHOD OF RESEARCH AND TECHNIQUE）
• 1.3.1 主要研究内容（Research Contents）
• 1.3.2 研究思路及技术路线（Research Approach）
• 2 基于分形的冒落区注浆充填量计算模型
• 2.1 引言（INTRODUCTION）
• 2.2 煤矿开采冒落区矸石堆体空隙的分形模型（FRACTAL MODEL OF PORE STRUCTURE OF CAVING ROCK MASS IN MINED-OUT AREA）
• 2.2.1 冒落区空隙体积的分形模型建立（Construction of Fractal Model of Pore Structure）
• 2.2.2 冒落岩块分维与空隙率P的关系（the Connection Between Dimension of Caving Rock Mass and Voids）
• 2.2.3 冒落岩块分维数D 的确定（Fractal Dimensions of Caving Rock Mass）
• 2.3 分形模型中原始数据获得方法的确定（APPROACH TO EXTRACT RELIABLE DATA OF FRACTAL MODEL）
• 2.3.1 分形模型中密度确定（Choice of Density for Fractal Model）
• 2.3.2 分形模型中冒落岩块极限尺寸的确定（the Limiting Dimensions of Caving Rock Mass for Fractal Model）
• 2.3.3 特征尺寸岩块的确定（The Choice of the Rock Mass with Characteristic Size）
• 2.4 工程实例（CONSTRUCTION EXAMPLES）
• 2.4.1 祁东煤矿冒落区注浆充填量计算（Volume of Fillings in mined-out area of Qidong Mine）
• 2.4.2 杨庄煤矿条带开采冒落区空隙率分形理论的计算（Void Numeration of in Mined-out Area of Yang Zhuang Mine）
• 2.5 本章小结（BRIEF SUMMARY）
• 3 条带冒矸注浆充填体工程力学特性研究
• 3.1 条带冒矸注浆充填体概念的提出（DEFINITION OF FALLING ROCK BACKF BACKFILL WITH STRIP MINING）
• 3.2 条带冒矸注浆充填体工程力学性质的室内试验研究（EXPERIMENTAL STUDY ON MECHANICS CHARACTER OF FALLING ROCK BACKFILL WITH STRIP MINING）
• 3.2.1 试验目的与原理（Principle and Intention of Experiment）
• 3.2.2 冒矸注浆充填体试样制备的装置与步骤（Equipment and Process of Experiment）
• 3.2.3 冒矸注浆充填体工程力学试验系统及测试过程（Mechanics Experiment System and Experiment）
• 3.2.4 冒矸注浆充填体压实试验结果分析（Analysis of Compaction Test on Falling Rock Backfill）
• 3.2.5 冒矸注浆充填体侧压试验结果分析（Analysis of the Lateral Compression Test Result on Falling Rock Backfill）
• 3.3 冒矸注浆充填体工程力学特征的颗粒元数值模拟研究（STUDY ON MECHANICS CHARACTER OF FALLING ROCK BACKFILL WITH STRIP MINING）
• 2D简介与基本假设(Brief Introduction and Basic Assumption of PFC^2D)'>3.3.1 PFC^2D简介与基本假设(Brief Introduction and Basic Assumption of PFC^2D)
• 2D数值模型构建(PFC^2D Numerical Model of Falling Rock Backfill)'>3.3.2 冒矸注浆充填体的PFC^2D数值模型构建(PFC^2D Numerical Model of Falling Rock Backfill)
• 3.3.3 PFC 试验模型参数的选择（Parameters in PFC Model）
• 3.3.4 冒矸注浆充填体压实特征的数值试验（Numerical Study on the Compaction of Falling Rock Backfill）
• 3.3.5 压实数值试验结果分析（Analysis of the Numerical Compaction Test Result）
• 3.3.6 冒矸注浆充填体侧压的数值试验（Numerical Study on the Lateral Compaction of Falling Rock Backfill）
• 3.4 本章小结（BRIEF SUMMARY）
• 4 条带开采冒落区注浆充填减沉作用机理研究
• 4.1 冒矸注浆充填体对覆岩关键层作用的物理模拟（PHYSICAL SIMULATION OF THE FUNCTION ON COVER KEY STRATA CAUSED BY FALLING ROCK BACKFILL）
• 4.1.1 模型制作及试验过程（Model Execution and Test Process）
• 4.1.2 试验结果分析（Analysis of Experiment Result）
• 4.1.3 冒落区充填对关键层初次破断工作面推进距的影响分析（Analysis of Influence on the First Break Distance Caused by Falling Rock Backfill）
• 4.2 “关键层-煤柱-冒矸注浆充填体”结构的减沉原理（PRINCIPLE OF REDUCING SUBSIDENCE BY KEY STRATA-COAL PILLAR-FALLING ROCK BACKFILL）
• 4.3 关键层-煤柱-冒矸注浆充填体相互作用分析（ANLYSIS OF INTERACTION OF KEY STRATA-COAL PILLAR-FALLING ROCK BACKFILL）
• 4.3.1 冒矸注浆充填体对煤柱提供侧向约束作用（Lateral Compaction on the Pillar by Falling Rock Backfill）
• 4.3.2 冒矸注浆充填体与煤柱载荷共同支承关键层（Falling Rock Backfill and Coal Pillar Support the Key Strata）
• 4.3.3 冒矸注浆充填体减少应力集中（Falling Rock Backfill Reduces the Stress Concentration）
• 4.4 条带开采冒落区注浆充填数值试验（NUMERICAL TEST OF FALLING ROCK BACKFILL WITH STRIP MINING）
• 4.4.1 工程背景（Background of Project）
• 4.4.2 条带开采冒落区注浆充填的颗粒流模型及模拟方案（the PFC Particle Flow Code Model and Simulation Scheme of Falling Rock Backfill with Strip Mining）
• 4.4.3 数值试验（Numerical Experiment）
• 4.5 数值试验结果分析（ANLYSIS OF NUMERICAL SIMULATION RESULT）
• 4.5.1 关键层-煤柱-冒矸注浆充填体共同作用的减沉原理分析（Anlysis of the Mechanism of Reducing Subsidence by Key Strata-coal Pillar-falling Rock Backfill）
• 4.5.2 各方案减沉效果综合比较（Integrative Comparation of the Effect of Reducing Subsidence）
• 4.6 条带开采冒落区注浆充填物理模拟试验（PHYSICAL SIMULATION EXPERIMENT OF FALLING ROCK BACKFILL WITH STRIP MINING）
• 4.6.1 试验方案及设计（Experiment Scheme and Design）
• 4.6.2 物理模拟试验过程（Physical Simulation Process）
• 4.6.3 相似材料模拟结果分析（Analysis of Physical Simulation Result）
• 4.7 本章小结（BRIEF SUMMARY）
• 5 建筑物下条带开采冒落区注浆充填减沉设计与评价方法
• 5.1 基于充填减沉置换当量原理的设计方法（DESIGN METHOD BASED ON EQUIVALENT OF FILLING AND REDUCING SUBSIDENCE）
• 5.1.1 充填减沉置换当量概念（Concept of Substitutional Filling Reducing Subsidence Equivalent）
• 5.1.2 条带开采冒落区注浆充填技术方案的设计方法（Design Method of Scheme for Falling Rock Backfill with Strip Mining）
• 5.2 基于采充均衡的评价方法（EVALUATION METHOD OF BALANCE BETWEEN MINING OUT AND BACKFILL）
• 5.2.1 采充均衡原理的提出（Proposed of Balance Principle Between Mining out and Backfill）
• 5.2.2 金属矿采充均衡与煤矿采充均衡的对比（Balance between Mining out and Backfill Contrast between Metal Mine and Coal Mine）
• 5.3 本章小结（BRIEF SUMMARY）
• 6 淮北某煤矿城下条带开采冒落区注浆充填工业试验方案设计
• 6.1 试验矿井概述（INTRODUCTION OF TEST MINE）
• 6.1.1 试验采区地质开采条件（Geological Condition of Test mine）
• 6.1.2 地面情况（Type of Buildings on the Surface）
• 6.2 采出率最高条带开采方案的确定（SCHEME OF THE MAXIMUM RECOVERY RATIO）
• 6.2.1 条带开采方案的UDEC 数值模拟研究（UDEC Simulation Study on Scheme of Strip Mining）
• 6.2.2 最佳条带开采方案的煤柱稳定性分析（Pillar Stability Analysis in Strip Mining）
• 6.2.3 城下条带开采方案地表沉陷的概率积分法预计（Probability Integral Method Prediction Come down Quantity）
• 6.3 条带开采冒落区注浆充填技术方案设计（SCHEME DESIGN OF FALLING ROCK BACKFILL WITH STRIP MINING UNDER BUILDINGS）
• 6.3.1 条带开采冒落区注浆充填技术方案的确定（Scheme Choice of Falling Rock Backfill with Strip Mining under Buildings）
• 6.3.2 条带开采冒落区注浆充填方案的煤柱稳定性分析（Pillar Stability Analysis in Falling Rock Backfill with Strip Mining under Buildings）
• 6.4 基于绿色开采理念的充填工艺设计（FILLING PROCESS DESIGN BASED ON GREEN MINING）
• 6.4.1 煤电一体化的注浆充填制备站设计（Design of Integrative of Coal and Electricity Filling Production Station）
• 6.4.2 试验条带冒落区充填施工工艺方案（Construction Technology Scheme of Falling Rock Backfill with Strip Mining）
• 6.5 基于采充均衡的条带开采冒落区注浆充填方案的评价（SCHEME EVALUTION FOR FALLING ROCK BACKFILL WITH STRIP MINING BASED ON THE BALANCE BETWEEN MINING OUT AND BACKFILL）
• 6.6 本章小结（BRIEF CONCLUSION）
• 7 主要结论
• 7.1 全文结论（CONCLUSIONS OF PAPER）
• 7.2 论文创新（INNOVATIONS OF PAPER）
• 7.3 论文展望（PROSPECT OF PAPER）
• 参考文献
• 作者简历
• 学位论文数据集