超高水材料充填開采設(shè)計方法及地表移動控制分析.pdf

1、充填開采作為一種成熟的開采工藝被越來越多的礦區(qū)所應(yīng)用，在最大限度開采地下資源的同時，有效保護地面建構(gòu)筑物，防止地下水進入井下，是先進的綠色開采技術(shù)。針對超高水材料充填控制地面沉陷面臨的問題，首先對超高水材料不同齡期、不同配比時的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系進行試驗研究，測定了不同齡期的凝固體強度，分析研究了不同配比時強度隨時間的變化規(guī)律，采用彈塑性梁、板理論，構(gòu)建了充填工作面周圍不同開采條件下，開放式充填控頂距判別式和充填開采設(shè)計方法，通過實測和數(shù)值模

2、擬結(jié)果證明所提方法的正確性，主要工作及成果如下：
　?。?）通過力學(xué)實驗研究了不同配比、不同齡期下，超高水材料凝固體的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，得到了各條件對應(yīng)的抗壓強度和彈性模量,為其工程實踐應(yīng)用提供技術(shù)依據(jù)。
　?。?）當(dāng)采場的的長寬比/1/2b a<時，頂板的垮落步距可按梁模型進行分析。基于彈塑性理論，建立了三種邊界條件下梁的極限荷載和極限垮落距，分析了梁截面上彈性核高度與梁長度的關(guān)系，同時對兩端固支梁和一端固支一端簡支梁模型，按

3、照塑性極限分析法，得到了不同邊界條件下，梁的極限承載力和垮落距；考慮到實際應(yīng)用中邊界條件對計算結(jié)果的影響，進一步分析推導(dǎo)了彈性基礎(chǔ)（或者充填體）梁及其受水平力作用時梁上最大彎矩表達式。
　　（3）針對充填工作面周圍不同開采情況，將充填工作面分為四周未開采、一側(cè)有采空區(qū)、兩側(cè)有采空區(qū)、三側(cè)有采空區(qū)及周圍均有采空區(qū)，分別將其簡化為四邊固支板、三邊固支一邊簡支板、鄰邊固支鄰邊簡支板、一邊固支三邊簡支板和四邊簡支板五種情況，對于不同條件建

4、立了相應(yīng)的力學(xué)模型。
　?。?）針對超高水材料充填開采工作面周圍不同開采、頂板較堅硬的條件，將其簡化為不同邊界固支的彈性薄板，基于虛功原理推導(dǎo)了彈性地基板以及四邊受水平壓力作用時撓度和彎矩的表達式，通過等價變化，彎矩公式轉(zhuǎn)換為單級數(shù)求和后只需取6項就能到達工程要求精度，同時分析研究了不同邊界條件板最大彎矩與推進距離的關(guān)系，為頂板較堅硬、周圍不同開采條件下，超高水材料充填開采工作面開采寬度設(shè)計提供了計算方法。
　?。?）針對超

5、高水材料充填開采工作面周圍不同開采、頂板較軟弱的條件，將其簡化為不同邊界支撐的彈塑性薄板，按照塑性極限平衡理論，推導(dǎo)了不同邊界固支條件矩形板的最大彎矩和極限垮落距的表達式，計算分析了板上塑性鉸線的位置參數(shù)，為頂板較軟弱、周圍不同開采條件下，超高水材料充填開采工作面開采寬度設(shè)計提供了計算方法。
　?。?）針對充填工作面四周不同開采情況，分析研究了充填工作面周圍不同開采條件、充填控頂距、頂板巖性、厚度和有效載荷等對充填工作面設(shè)計寬度的

6、影響規(guī)律：四周未開采，工作面寬度最大，四周都開采，工作面寬度最小，一側(cè)有開采三側(cè)無開采和二側(cè)有開采二側(cè)無開采工作面寬度位于兩者之間；控頂距越大、頂板巖性越軟弱、厚度越小、有效載荷越大，工作面可設(shè)計的寬度越小，反之成立。
　　（7）分析研究了采厚、傾角、頂板厚度、巖性、控頂距、工作面布設(shè)寬度、推進速度、超高水材料凝結(jié)時間、充填方式等對高水材料充填開采控制的影響，形成了超高水材料充填開采設(shè)計方法，該方法包括控頂距確定方法、工作面采寬設(shè)

7、計方法、開采工藝及充填方式選擇方法，其中控頂距確定方法是基礎(chǔ)，工作面開采寬度設(shè)計是核心，開采工藝及充填方式選擇是保障，為超高水材料充填開采設(shè)計提供了理論和技術(shù)基礎(chǔ)。
　?。?）當(dāng)采礦地質(zhì)條件一定，通過選擇工作面的布設(shè)方式和超高水材料的配比方法，調(diào)整頂板上最大彎矩以滿足開放充填開采頂板不垮落，這一方法在陶一礦和田莊礦進行了實驗，通過地表觀測證明在保證充填率的情況下，該方法能有效減緩地表下沉量和下沉速度。
　　該論文有圖117幅