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硕士学位论文 膏体充填开采条带煤柱覆岩运移规律研究 Study on Overburden Movement Rule in Strip Coal Pillar Filling Mining 作 者唐维军 导 师常庆粮 副教授 中国矿业大学 二〇一八年五月 万方数据 学位论文使用授权声明学位论文使用授权声明 本人完全了解中国矿业大学有关保留、使用学位论文的规定，同意本人所撰 写的学位论文的使用授权按照学校的管理规定处理 作为申请学位的条件之一， 学位论文著作权拥有者须授权所在学校拥有学位 论文的部分使用权，即①学校档案馆和图书馆有权保留学位论文的纸质版和电 子版，可以使用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文；②为教学和 科研目的，学校档案馆和图书馆可以将公开的学位论文作为资料在档案馆、图书 馆等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。另外，根据有关法规，同意中国 国家图书馆保存研究生学位论文。 （保密的学位论文在解密后适用本授权书） 。 作者签名 导师签名 年 月 日 年 月 日 万方数据 中图分类号 TD823 学校代码 10290 UDC 622 密 级 公开 中国矿业大学 硕士学位论文 膏体充填开采条带煤柱覆岩运移规律研究 Study on Overburden Movement Rule in Strip Coal Pillar Filling Mining 作 者 唐维军 导 师 常庆粮 副教授 申请学位 工学硕士 培养单位 矿业工程学院 学科专业 采矿工程 研究方向 绿色开采 答辩委员会主席 李桂臣 评 阅 人 二〇一八年五月 万方数据 致谢致谢 感谢常庆粮导师对完成该论文过程中给予的悉心指导， 三年的硕士生涯中常 庆粮老师在平时的生活以及学习上能够耐心地教导， 自己在这期间不管是为人处 世、待人接物还是专业能力方面，都得到了极大的启发和进步。 在论文的整个编写过程中，论文数值模拟和物理试验部分，师兄宋光远、刘 长安以及实验室师弟李向阳、李毅、刘泽旭等都提供了很多帮助和支持，同时， 在研究生的平时学习生活中，实验室都充满了热情和亲切的氛围，大家在这种氛 围中能够共同努力，互相进步。 在完成论文的现场数据收集过程中，需要很多现场的帮助，在此非常感谢岱 庄煤矿的领导能够提供支持和帮助，他们极高的专业水准令我十分钦佩，感谢他 们在本人赴矿期间提供住宿及设备等帮助，在此对他们表示诚挚的感谢。 感谢自己在学校期间家人能够在背后默默地支持和鼓励我，多年以来的学业 消耗了父母很多的时间和精力，在此向他们表达自己的歉意和感恩之情。 最后感谢有幸能够给予论文审阅和评定的专家老师们，论文有不足之处敬请 专家老师们给予指点与建议。同时也感谢论文所有引用文献的作者。 万方数据 I 摘要摘要 近年来随着国家积极开展环境保护，淘汰落后产能、整合优质资源是国家对 煤炭资源开采利用施行的长远政策， 而膏体充填开采技术作为一种解决建筑物下、 铁路下、水体下和承压水上压煤问题的绿色开采技术之一，得到了极为广泛的推 广应用。 本文以山东济宁岱庄煤矿遗留条带煤柱开采回收为背景，以 2351 充填工作 面为研究对象，采取理论分析、数值模拟、相似材料试验模拟及现场实测等多种 手段，针对其在应用膏体充填开采方法过程中，工作面顶板运移规律及充填体受 力变形特征展开分析， 并对膏体充填开采工艺中关键参数充填率和覆岩变形破坏 关系进行研究， 借助现场实测与地表移动变形预计获取充填开采对地表沉陷控制 效果，取得以下主要成果 （1） 理论通过受力分析得到顶板的挠曲下沉变形和弹性基础“煤体和充填体” 提供给顶板的支撑力关系式， 对顶板下沉的三个主要影响因子按照影响程度划分 依次为充填前顶板下沉量、充填体弹性模量、顶板条件。2351 工作面当充填体 弹性模量 0.2 GPa、充填前顶板下沉量 100 mm、顶板岩梁高度 4 m、顶板弹性模 量 35 GPa 时，顶板下沉量约 130 mm。 （2） 数值模拟膏体充填开采工作面， 顶板下沉值可控制在 350 mm 范围内， 覆岩垂直应力范围 10 ～ 15 MPa。膏体充填体应力应变增长呈现三个阶段急 速增长阶段、 缓慢增长阶段、 稳定成型阶段， 充填体垂直位移控制在了250 ～ 500 mm 范围内。 （3）相似模拟试验证实充填开采的顶板一般不存在“竖三带”特征，充填率 为充填开采方法引起地表变形的主要影响因素，当膏体充填开采的充填率达到 95 以上，顶板只呈现出弯曲下沉带特征；充填率保持在 90 左右时，顶板开 始出现些微裂隙；充填率小于 85 时，顶板发生贯通性断裂，上覆岩层形态与 垮落法开采基本类似，只是冒落带高度、裂缝带高度较小。 （4）现场收集的数据分析充填体受力变形增长特征与数值模拟结果呈现一 致规律，最终充填体垂直应力将稳定在 10 MPa 左右，即为原岩应力值，而充填 体变形压缩量约为 100 mm。通过分析地表移动观测辅助沉陷预计软件获取得地 表变形数据， 证实充填开采方法回收条带煤柱可将地表建筑物损害控制在规范要 求范围内。 该论文有图 44 幅，表 10 个，参考文献 83 篇。 关键词关键词膏体充填开采；顶板运移；地表沉陷；模拟试验 万方数据 II Abstract In recent years, as the country has actively carried out environmental protection, elimination of outdated production capacity and integration of high-quality resources are the countrys long-term policies for the exploitation and utilization of coal resources. Paste-filling mining technology is used as a solution to the coal resources under-building, under-railway, underwater, under-construction and confined water. As one of the green mining technologies has been widely used. This paper takes the recovery and mining of the coal pillars from the remnant strips of the Daizhuang coal mine in Jining, Shandong, and uses the 2351 filling work face as the research object. It adopts theoretical analysis, numerical simulation, similar materials test simulation and field measurement and other s to apply the study. During the process of paste filling mining, the roof movement rule of the working face and the stress deation characteristics of the filling body are analyzed. The relationship between the filling rate and the deation and damage of the overlying rock in the paste filling mining process are studied, with the help of field measurement and surface movement. Deation is expected to obtain the control effect of filling and mining on surface subsidence and achieve the following main results 1 Theoretical analysis of the flexural subsidence deation of the roof and the supporting force relationship provided by the elastic foundation “coal body and backfill body” to the roof are obtained through force analysis. The three main influencing factors of the roof subsidence are divided in order of degree of influence. Roof subsidence before filling, the elastic modulus of the filling body, the roof conditions. For the 2351 working face, when the elastic modulus of backfilling body is 0.2 GPa, roof subsidence before filling is 100 mm, the height of roof rock beam is 4 m, and the elastic modulus of the roof is 35 GPa, the amount of roof subsidence is about 130 mm. 2 Numerical simulation of the paste filling mining face, the roof subsidence value can be controlled within 350 mm, and the overburden vertical stress range is 10-15 MPa. The stress-strain growth of paste backfill presents three phases rapid growth phase, slow growth phase, and stable molding phase. The vertical 万方数据 III displacement of backfill is controlled within the range of 250 to 500 mm. 3 Similar simulation experiments confirmed that there is no “vertical three belt” feature in the immediate roof of working face, and the filling rate is the main influencing factor of surface deation caused by the mining . When the filling rate of paste filling mining reaches above 95, the immediate roof only shows bending zone characteristics. When the filling rate is maintained at about 90, micro cracks begin to appear on the roof. When the filling rate is less than 85, the roof plate is broken through. The overburden ation is basically similar to the caving mining . The height of caving and fracture zone is small. 4 Analysis of data collected on the spot are consistent with the numerical simulation results. The ultimate backfill stress will be stable at about 10 MPa, which is the original rock stress value, and the backfill body compressed deation is about 100 mm. By analyzing surface deation observation assisted subsidence prediction software to obtain surface deation data, it is proved that the recovery of strip coal pillars by filling mining can control the surface building damage within the scope of the specification requirements. The dissertation contains 44 pictures, 10 tables and 84 references. Keywords paste filling mining; roof movement; surface subsidence; simulation test 万方数据 IV 目目 录录 摘要摘要............................................................................................................................................. I 目目 录录...................................................................................................................................... IV 图清单图清单................................................................................................................................... VIII 表清单表清单...................................................................................................................................... XI 变量注释表变量注释表 ........................................................................................................................... XII 1 绪论绪论........................................................................................................................................ 1 1.1 选题背景和研究意义 ......................................................................................................... 1 1.2 条带开采国内外研究现状 ................................................................................................. 1 1.3 膏体充填开采技术研究现状 ............................................................................................. 6 1.4 研究内容与技术路线 ......................................................................................................... 9 2 矿井概况矿井概况 ............................................................................................................................. 10 2.1 开采条件 ........................................................................................................................... 10 2.2 条带垮落法开采后地表沉陷变形情况 ........................................................................... 17 2.3 本章小结 ........................................................................................................................... 19 3 膏体充填开采条带煤柱覆岩运移规律膏体充填开采条带煤柱覆岩运移规律 ............................................................................. 20 3.1 力学分析模型的构建 ........................................................................................................ 20 3.2 梁荷载与地基系数的求解 ............................................................................................... 23 3.3 顶板地基系数的求解 ....................................................................................................... 24 3.4 顶板下沉影响因素分析 ................................................................................................... 25 3.5 本章小结 ........................................................................................................................... 27 4 膏体充填开采条带煤柱覆岩运移规律模拟研究膏体充填开采条带煤柱覆岩运移规律模拟研究 ............................................................. 28 4.1 FLAC 数值模拟软件简介 ............................................................................................... 28 4.2 数值模拟模型 ................................................................................................................... 29 4.3 膏体充填开采覆岩运移规律研究 ................................................................................... 34 4.4 充填体受力变形特征研究 ............................................................................................... 39 4.5 本章小结 ........................................................................................................................... 42 万方数据 V 5 覆岩移动相似模拟试验覆岩移动相似模拟试验 ..................................................................................................... 43 5.1 试验方案 ........................................................................................................................... 43 5.2 覆岩移动特征分析 ........................................................................................................... 45 5.3 本章小结 ........................................................................................................................... 50 6 充填效果充填效果评价分析评价分析 ............................................................................................................. 51 6.1 现场数据分析 .................................................................................................................... 52 6.2 充填开采地表变形预测分析 ............................................................................................ 52 7 主要结论与建议主要结论与建议 ................................................................................................................. 67 7.1 主要结论 .......................................................................................................................... 67 7.2 主要建议 ........................................................................................................................... 68 参考文献参考文献 ................................................................................................................................. 69 作者简历作者简历 ................................................................................................................................. 74 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 ............................................................................................................. 75 学位论文数据集学位论文数据集 ..................................................................................................................... 76 万方数据 VI Contents Abstract ...................................................................................................................................... I Contents .................................................................................................................................. IV List of Figures ...................................................................................................................... VIII List of Tables .......................................................................................................................... XI List of Variables ................................................................................................................... XII 1 Introduction ........................................................................................................................... 1 1.1 Purpose 三下煤柱引起的岩层移动与二次稳定 理论[J]. 岩石力学与工程学报,2011,301105-112. [52] 杨海新，卢宝祥. 建筑物下大采深坚硬顶板煤层条带开采技术[J]. 煤炭科学技 术,20081219-21. [53] 杨逾，刘文生，冯国才，等. 注充宽条带跳采全采采煤法[J]. 煤矿开采,2005,1051-3, 17. [54] 李建新，王来贵，冯美生. 宽条带跳采研究[J]. 辽宁工程技术大学学报（自然科学 版）,2005,24z242-44. 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Study and application of repeated mining with paste backfill to recover remaining strip pillars [J]. Bulgarian Chemical Communications，2017（1） 101-106. 2. 常庆粮, 唐维军, 李秀山.膏体充填综采底板破坏规律与实测研究[J]. 采矿与安全工程学 报，2016 （1） 96-101. 3. 唐维军, 孙希奎, 王恒. 膏体充填开采条带煤柱覆岩稳定效应研究[J]. 煤炭科学技术， 2017 （9） 109-115. 三、获奖情况 1.2015 年 9