發(fā)布時(shí)間：2020-11-19 23:43

　　 矸石充填材料本質(zhì)上是一種非連續(xù)介質(zhì),在夯實(shí)系統(tǒng)夯實(shí)力與上覆巖層壓力的作用下,矸石塊體將發(fā)生旋轉(zhuǎn)、滑移、咬合及破碎現(xiàn)象。充填體的壓實(shí)變形特性應(yīng)考慮矸石巖性、粒徑級(jí)配及夯實(shí)力等主控因素的影響,從而為深入研究矸石充填體控制巖層移動(dòng)機(jī)理提供理論基礎(chǔ)。本論文基于影響充填體壓實(shí)變形的主控因素,研制了散體充填材料雙向加載試驗(yàn)系統(tǒng),并綜合運(yùn)用理論分析、試驗(yàn)測(cè)試、數(shù)值模擬及工程實(shí)踐等研究方法,測(cè)試了充填矸石的瞬時(shí)與蠕變壓實(shí)力學(xué)特性,構(gòu)建了多因素耦合作用下矸石充填材料瞬時(shí)壓實(shí)本構(gòu)方程與蠕變壓實(shí)NMK本構(gòu)模型;分析了充填矸石壓實(shí)變形顆粒結(jié)構(gòu)形態(tài)演化特征,揭示了矸石充填材料壓實(shí)變形細(xì)觀機(jī)理;建立了矸石充填材料控制采場(chǎng)頂板力學(xué)模型,揭示了充填體控制巖層移動(dòng)機(jī)理,提出了矸石材料充填開采設(shè)計(jì)方法。取得了以下創(chuàng)新性成果:(1)提出了散體充填材料壓實(shí)力學(xué)特性測(cè)試方法,研制了散體充填材料雙向加載試驗(yàn)系統(tǒng),測(cè)試得到了矸石巖性、粒徑級(jí)配、側(cè)向應(yīng)力與側(cè)壓次數(shù)4種主控因素與瞬時(shí)壓實(shí)特性的關(guān)系,構(gòu)建了多因素耦合作用下矸石充填材料瞬時(shí)壓實(shí)變形本構(gòu)方程。(2)測(cè)試了不同加載應(yīng)力水平下充填矸石蠕變壓實(shí)特性,構(gòu)建了分?jǐn)?shù)階矸石充填材料蠕變壓實(shí)NMK本構(gòu)模型,推導(dǎo)了NMK本構(gòu)模型的三維蠕變方程,辨識(shí)了NMK本構(gòu)模型的參數(shù),實(shí)現(xiàn)了NMK本構(gòu)模型的二次開發(fā)。(3)研究得到了矸石塊體的邊界輪廓特征,建立了矸石塊體隨機(jī)生成方法,分析了矸石充填材料壓實(shí)變形、顆粒簇分布及顆粒結(jié)構(gòu)形態(tài)演化特征,揭示了矸石充填材料壓實(shí)變形細(xì)觀機(jī)理。(4)建立了矸石充填材料控制采場(chǎng)頂板下沉力學(xué)模型,分析了主控因素影響頂板下沉的規(guī)律,揭示了矸石充填體控制巖層移動(dòng)機(jī)理;提出了矸石材料充填開采設(shè)計(jì)方法,并進(jìn)行了具體工程案例分析,驗(yàn)證了研究成果的合理性。
【學(xué)位單位】：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TD823.7;TD325
【部分圖文】：

圖 1-4 充填材料壓實(shí)特性測(cè)試儀器Figure 1-4 Testing apparatus of compaction properties of backfill materials（3）蠕變壓實(shí)特性當(dāng)破碎矸石被充填入采空區(qū)后，矸石充填材料受到的上覆巖層作用力由 0 逐漸增加，當(dāng)達(dá)到一定壓力后，矸石充填材料在蠕變壓實(shí)作用下將繼續(xù)發(fā)生變形，從而導(dǎo)致地表進(jìn)一步發(fā)生變形，對(duì)地表建（構(gòu)）筑物穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。有學(xué)者通過矸石充填材料蠕變壓實(shí)試驗(yàn)，測(cè)試得到了矸石的蠕變壓實(shí)特性，并初步構(gòu)建了蠕變壓實(shí)變形的本構(gòu)模型。文獻(xiàn)[39]根據(jù)充填矸石在壓實(shí)后的時(shí)間相關(guān)性試驗(yàn)結(jié)果，選取 Poyting-Thomson 作為矸石的流變模型，分析得出了關(guān)鍵層的撓度及矸石充填體的流變公式。文獻(xiàn)[54-55]對(duì)矸石與粉煤灰充填體的時(shí)間相關(guān)特性進(jìn)行了測(cè)試，選取 PTH 體作為矸石與粉煤灰充填體的流變模型，得出了充填采煤工作面頂板的下沉量與時(shí)間關(guān)系曲線。文獻(xiàn)[56]基于矸石充填材料蠕變壓實(shí)特性試驗(yàn)，選取 PTH 體作為充填材料的蠕變模型，將頂板視為彈性薄板，建立了固體充填采煤頂板流變力學(xué)模型，如圖 1-5 所示，根據(jù)“彈性-黏彈性”對(duì)應(yīng)性原理，采用能量法求解得到

圖 1-6 充填材料顆粒破碎模擬Figure 1-6 Simulation of particle breakage of backfill material，部分學(xué)者采用數(shù)值模擬方法對(duì)矸石充填材料壓實(shí)由于矸石充填材料的塊體形狀比較復(fù)雜，其不規(guī)則時(shí)，在模擬時(shí)未考慮側(cè)向加載對(duì)充填材料細(xì)觀力學(xué)料壓實(shí)變形細(xì)觀機(jī)理還需要進(jìn)一步研究。采巖層控制理論采煤技術(shù)是我國(guó)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的重大創(chuàng)新成果采煤方法，利用井下采空區(qū)處理矸石等固體廢棄物造成十分嚴(yán)重的礦區(qū)資源浪費(fèi)和生態(tài)環(huán)境破壞問題上解決采動(dòng)巖層破壞中的災(zāi)變問題（采場(chǎng)頂板災(zāi)害，而且可以有效利用矸石等固體廢棄物，控制巖層移環(huán)境，提高煤炭資源采出率，延長(zhǎng)礦井服務(wù)年限[6充填采煤技術(shù)的不斷發(fā)展，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在充填開采

2.1 矸石充填材料試樣采集與制備 (Sample Collection andPreparation of Gangue Backfill Materials)本文研究的散體充填材料主要以破碎矸石為主，直接從煤礦采集砂巖、泥巖、石灰?guī)r與頁巖 4 種典型巖性的矸石，以制備矸石充填材料試樣。試驗(yàn)前，需要將 4種巖性的矸石進(jìn)行破碎，首先采用破碎機(jī)將不同巖性的矸石破碎至粒徑 50mm 以下，然后再人工破碎至 30mm 以下，并采用粒徑分別為 5mm、10mm、15mm、20mm、25mm 和 30mm 的方孔石子篩逐級(jí)進(jìn)行篩分，方孔石子篩如圖 2-1 所示。（a）5 mm （b）10 mm （c）15 mm
【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2890607