非均布载荷下充填开采岩层连续弯曲移动力学模型

为了通过采空区充填控制顶板岩层连续弯曲移动,实现保护矿区生态,提出了充填开采覆岩移动"四带"划分:充填体压缩带、连续弯曲下沉带、关键层承载带和生态保护稳定带。试验研究了不同配比(2∶1、3∶1、4∶1、5∶1、6∶1)矸石和粉煤灰的压缩力学特性,得出充填体的"应力-应变"关系近似呈抛物线关系。充填体压缩初期(0~2 MPa)快速变形,压缩后期(>6 MPa),变形量增长较缓慢,可知充填体初期捣实对岩层变形控制起重要作用。当矸石和粉煤灰配比为4∶1时,充填体抗压变形性能最好。分析了工作面后方应力降低和近似线性恢复的关键层承载保护机制。基于充填体压缩特性和工作面后方应力非均匀分布,建立了非均布载荷作用下充填顶板岩层连续弯曲力学模型,得出了充填开采顶板岩层连续弯曲变形的力学条件,实现对充填开采顶板连续弯曲移动的准确判定。数值模拟分析了不同充填率时上覆岩层移动规律,得知当充填率大于90%时,顶板岩层近似发生连续变形移动,且直接顶和地表最大下沉量的模拟结果与理论预测非常接近。

充填开采底板隔水层损伤破坏特征及稳定性控制

针对深部矿井煤炭开采底板奥陶系灰岩承压水突水问题,采用FLAC3D-PFC3D耦合数值模拟方法,分别研究了垮落法开采及不同充填率开采时底板应力、底鼓变形及塑性区发育程度,进而分析了不同充填率时底板隔水层稳定性控制效果及底板隔水层破坏变形规律,从矸石充填体位移-孔隙率及应力-力链的角度分析了充填体-围岩相互作用关系。结果表明:随着充填率增大,充填体整体受力随之增大,对围岩支护效果及应力转移吸收能力增强,充填率达到80%时,底板隔水层相比于垮落法开采垂直应力最大值增加25.35 MPa,最大垂直位移降低0.08 m,塑性区发育宽度仅为垮落法开采时的1/7,底板位移变化及应力集中区较小,塑性区发育深度相比不充填时降低27 m,有效隔水层厚度达到12 m,固体充填开采能够有效地控制底板突水危险。