深部煤层超高水充填工作面充填体—支架—煤体协同承载机制

深井超高水充填开采岩层控制效果受充填体力学特性、支架与推进速度等因素影响,其中充填体—支架—煤体承载结构起关键作用,充填体—支架—煤体协同承载机制是当前深部煤炭资源绿色开采亟待解决的科学难题。为探究三者协同承载关系,以深部煤层超高水充填工作面为工程背景,分别进行了超高水固结体宏观力学与微观结构测试,得到充填体强度与时间变化的函数关系、宏观力学特性与细观渐进损伤关联机制;构建了充填体—支架—煤体协同承载力学模型,推导了超高水充填工作面顶板挠度微分方程,提出充填体—支架—煤体协同承载效果主要影响因素为工作面推进速度、支架支护强度和充填体水体积比,揭示了充填工作面充填体—支架—煤体协同承载机制,确定了合理工作面推进速度及支架工作阻力;采用FLAC软件建立充填体—支架—煤体协同承载数值模型,分别模拟在不同推进速度、支架支护强度、充填体水体积比条件下的承载特点,提出并应用了合理工作面参数。研究结果表明:当工作面推进速度小于1.8 m/d、支架支护强度高于0.64 MPa、充填体水体积比低于94.7%时,充填体达到了预期支撑强度,工作面覆岩应力降低、前方煤体应力集中系数减小、超前支护区巷道变形量小,充填体—支架—煤体协同承载有效提高了充填效果,为实现深部煤层安全高效绿色开采提供了科学依据。