[01301576]条带煤柱长期支承性能及其对地表变形控制研究与应用

“条带煤柱长期支承性能及其对地表变形控制研究及应用”属于矿山工程技术学科,涉及矿山岩石力学、矿山压力与岩层控制、特殊开采等相关学科,得到了国家自然科学基金及山东省优秀中青年科研奖励基金资助。通过室内试验、数值模拟、现场实测和理论分析等方法,针对条带煤柱蠕变支承性能与破坏失稳进行了较为系统的研究,并将研究成果应用到条带开采设计与煤柱回收中。本课题研究的主要内容有： （1）对深井条带开采从采场顶板到地表的覆岩运动进行了分析,深部开采条件下覆岩的不连续沉陷运动、突变集中变形和阶段性延滞移动特征相比浅部开采更加明显,并根据长期监测到的条带开采地表移动变形数据,采用先进的模式求参法反演出了厚冲积层、厚基岩条件下条带开采岩移计算参量。 （2）对煤岩试件进行了蠕变特性试验研究,分析了其蠕变破坏特征、蠕变力学参数和蠕变本构模型。通过精密蠕变试验明确了煤岩流变过程中微破坏和脆性突变变形的存在,分析了浸水对煤岩蠕变特性的影响。通过短时和较长时蠕变试验,研究了时间对煤岩长期强度的影响;提出了岩石长期强度的计算公式,并据此确定了试验煤岩的理论长期强度为8.2282MPa。 （3）采用应力传感器和煤柱横向变形测量仪,通过测线引出的方式,对条带煤柱的受力、横向变形进行了长期监测,研究了煤柱体上的受力变化规律和受力状态,确定了条带煤柱塑性破坏区和弹性核区的最终宽度及演化特征,确定出了煤柱的长期稳定性和失稳突变点。 （4）研究了两侧均为采空区且采空区已形成多年这种特殊条件下的条带煤柱膏体充填开采巷道围岩状态演化规律。虽然为沿空巷道,但由于工作面两侧采空区已经形成多年,采空区及其覆岩已经长期自组织进入稳定状态。巷道围岩变形不大,现有支护方式能够保持巷道及其围岩的稳定性。 （5）分析了条带煤柱稳定性影响因素和失稳原因,提出了条带开采尺寸设计要求和适合深井条带开采的煤柱强度计算公式,并对唐口煤矿煤柱留设进行了优化设计。 （6）考虑条带煤柱和充填开采的特殊性,采用实用矿山压力理论分析了条带煤柱膏体充填开采的覆岩运动规律及其时空结构模型。工作面为三面采空的孤岛煤柱工作面,在开采前,覆岩为"C"型空间结构;随着工作面的推进,覆岩结构也在变化,初次来压后,老顶成为近似悬臂梁;在周期来压期间,顶板成为一般意义的周期来压老顶的不等高支撑的铰接岩梁。充填膏体初期强度较低,顶板会发生缓慢下沉并开裂,工作面的直接顶即为老顶。 本项目研究成果自2008年以来,已应用于唐口煤业、运河煤矿和阳城煤矿等多个矿井,近三年,共新增煤炭产量3.1Mt,创产值16亿元,创利润3.4亿元。取得的成果不仅具有巨大的经济效益,而且对矿区工农业的可持续协调稳定发展具有更加重要的社会意义。此外,依托本课题授权2项发明专利及5项实用新型专利,在煤炭学报、采矿与安全工程学报等高级期刊上公开发表高水平论文22篇（其中EI收录9篇）,出版学术专著2部。