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特厚煤层上向分层长壁逐巷胶结充填开采覆岩移动控制机理研究

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变量与缩写注释表

1绪论

1.1研究背景与意义(Research background and significance)

1.2国内外研究现状(Research status)

1.3研究内容与技术路线(Research contents and methods)

1.4主要创新点(Main innovation points)

2上向分层长壁逐巷胶结充填开采方法与技术关键

2.1特厚煤层上向分层长壁逐巷胶结充填开采方法(The upward slicing longwall-roadway cemented backfill method for mining extra-thick coal seam)

2.2充填开采联络巷合理间距分析(Reasonable distance between backfill mining crosscuts)

2.3充填挡墙侧压力的时间相关性分析(Time-dependent analysis of backfill barricade lateral pressure)

2.4本章小结(Chapter summary)

3胶结充填材料流变与力学性能研究与预测

3.1胶结充填材料组成与微观结构(Composition and microstructure of cemented backfill)

3.2胶结充填材料流变性能(Rheological properties of cemented backfill)

3.3胶结充填材料力学性能(Mechanical properties of cemented backfill)

3.4基于改进的BP神经网络的材料性能预测(Properties prediction of cemented backfill using improved BP neural network)

3.5本章小结(Chapter summary)

4上向分层长壁逐巷胶结充填顶板移动控制机理

4.1巷式充填开采岩层控制基本原理(Ground control fundamental of roadway backfill mining)

4.2 各分层开采过程中顶板移动规律力学分析( Mechanical analysis of roof movement during mining different slices)

4.3顶板移动规律计算实例分析(The calculation example of roof movement characteristics)

4.4充填材料性能要求分析与配比优化选择(Performance requirement and recipe selection of cemented backfill)

4.5本章小结(Chapter summary)

5上向分层长壁逐巷胶结充填岩层控制物理模拟

5.1物理模拟模型建立(Physical simulation model)

5.2覆岩移动破坏规律研究(Movement and fracture behavior of overlying strata)

5.3围岩应力演化规律研究(Stress evolution of roof and floor)

5.4本章小结(Chapter summary)

6上向分层长壁逐巷胶结充填采场矿压数值模拟

6.1数值模型与模拟方案(Modeling and planning of numerical simulation)

6.2充填开采联络巷围岩变形及应力分布规律(Surrounding rock deformation and stress distribution of backfill mining crosscut)

6.3不同分层开采围岩变形及应力演化规律(Surrounding rock deformation and stress distribution of mining different slices)

6.4本章小结(Chapter summary)

7工程应用

7.1试验开采区域采矿地质条件(Mining and geological conditions of the pilot district)

7.2生产系统设计(Production system)

7.3应用效果实测分析(Field measurement and analysis of application effects)

7.4本章小结(Chapter summary)

8结论与展望

8.1主要结论(Main conclusions)

8.2展望(Prospects)

参考文献

作者简历

学位论文数据集

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摘要

经过多年的发展,厚煤层已经成为我国煤炭开采中的主力煤层,可占总产量的45%左右,因此“三下”等特殊地质条件下厚煤层的开采是一直以来备受关注的问题。尤其是厚度为8m以上的特厚煤层,由于自身厚度大,开采过程对覆岩的破坏严重,岩层控制难度很大。尽管充填开采已被证明是开采“三下”压煤的有效途径,但是目前尚未形成一套成熟的可以实现特厚煤层高回采率和高充实率的充填开采方法。鉴于此,本文针对特厚煤层提出了上向分层长壁逐巷胶结充填开采技术方法,采用实验室试验、力学分析、物理模拟、数值模拟及现场应用相结合的研究方法,分析了该方法中的关键技术参数如开采联络巷合理间距和充填挡墙侧压力,研发了配套的胶结充填材料并研究了配比对材料流变及力学性能的影响规律,研究了采用此种方法开采特厚煤层的过程中顶板控制机理,分析了各分层开采覆岩移动破坏和采场矿压显现规律,并将研究成果进行了工程应用。论文取得的创新性成果如下:
  (1)研发了采用矸石、粉煤灰及混合胶结料为原料的胶结充填材料,采用以坍落度换算屈服应力的方法研究了配比对材料流变性能的影响规律,得到了在配比和养护龄期耦合作用下充填材料强度和泊松比的演化特征,以实测数据为基础建立了基于改进的BP神经网络的胶结充填材料性能预测模型,揭示了各影响因素的作用机理。
  (2)建立了顶板动态非均匀组合弹性地基梁模型,研究了各分层开采过程中顶板移动变形特征,揭示了特厚煤层上向分层长壁逐巷胶结充填开采顶板移动控制机理,提出了开采不同分层数对应的充填材料性能要求;并基于胶结充填材料流变性能的时间相关特性,计算得出了充填挡墙侧压力随时间的演化规律。
  (3)采用物理模拟和数值模拟相结合的方法,分析了不同分层开采过程中的覆岩垂直位移、裂隙发育和应力演化规律,揭示了采用上向分层长壁逐巷胶结充填技术开采特厚煤层时覆岩移动破坏与采场矿压控制原理,研究表明第五分层和第六分层开采对覆岩造成的扰动明显大于之前各分层的开采。
  (4)提出了特厚煤层上向分层长壁逐巷充填开采技术方法,设计了与此方法相配套的生产系统和开采工艺,并成功应用于公格营子煤矿含水层下厚度为21 m的特厚煤层开采实践,现场实测数据表明工程应用效果良好。

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