發(fā)布時間：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),在夯實系統(tǒng)夯實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。充填體的壓實變形特性應(yīng)考慮矸石巖性、粒徑級配及夯實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機理提供理論基礎(chǔ)。本論文基于影響充填體壓實變形的主控因素,研制了散體充填材料雙向加載試驗系統(tǒng),并綜合運用理論分析、試驗測試、數(shù)值模擬及工程實踐等研究方法,測試了充填矸石的瞬時與蠕變壓實力學(xué)特性,構(gòu)建了多因素耦合作用下矸石充填材料瞬時壓實本構(gòu)方程與蠕變壓實NMK本構(gòu)模型;分析了充填矸石壓實變形顆粒結(jié)構(gòu)形態(tài)演化特征,揭示了矸石充填材料壓實變形細觀機理;建立了矸石充填材料控制采場頂板力學(xué)模型,揭示了充填體控制巖層移動機理,提出了矸石材料充填開采設(shè)計方法。取得了以下創(chuàng)新性成果:(1)提出了散體充填材料壓實力學(xué)特性測試方法,研制了散體充填材料雙向加載試驗系統(tǒng),測試得到了矸石巖性、粒徑級配、側(cè)向應(yīng)力與側(cè)壓次數(shù)4種主控因素與瞬時壓實特性的關(guān)系,構(gòu)建了多因素耦合作用下矸石充填材料瞬時壓實變形本構(gòu)方程。(2)測試了不同加載應(yīng)力水平下充填矸石蠕變壓實特性,構(gòu)建了分數(shù)階矸石充填材料蠕變壓實NMK本構(gòu)模型,推導(dǎo)了NMK本構(gòu)模型的三維蠕變方程,辨識了NMK本構(gòu)模型的參數(shù),實現(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生成方法,分析了矸石充填材料壓實變形、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變形細觀機理。(4)建立了矸石充填材料控制采場頂板下沉力學(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機理;提出了矸石材料充填開采設(shè)計方法,并進行了具體工程案例分析,驗證了研究成果的合理性。
【學(xué)位單位】：中國礦業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TD823.7;TD325
【部分圖文】：

圖 1-4 充填材料壓實特性測試儀器Figure 1-4 Testing apparatus of compaction properties of backfill materials（3）蠕變壓實特性當(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)達到一定壓力后，矸石充填材料在蠕變壓實作用下將繼續(xù)發(fā)生變形，從而導(dǎo)致地表進一步發(fā)生變形，對地表建（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試驗，測試得到了矸石的蠕變壓實特性，并初步構(gòu)建了蠕變壓實變形的本構(gòu)模型。文獻[39]根據(jù)充填矸石在壓實后的時間相關(guān)性試驗結(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[54-55]對矸石與粉煤灰充填體的時間相關(guān)特性進行了測試，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間關(guān)系曲線。文獻[56]基于矸石充填材料蠕變壓實特性試驗，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)值模擬方法對矸石充填材料壓實由于矸石充填材料的塊體形狀比較復(fù)雜，其不規(guī)則時，在模擬時未考慮側(cè)向加載對充填材料細觀力學(xué)料壓實變形細觀機理還需要進一步研究。采巖層控制理論采煤技術(shù)是我國具有自主知識產(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重的礦區(qū)資源浪費和生態(tài)環(huán)境破壞問題上解決采動巖層破壞中的災(zāi)變問題（采場頂板災(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，延長礦井服務(wù)年限[6充填采煤技術(shù)的不斷發(fā)展，國內(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。試驗前，需要將 4種巖性的矸石進行破碎，首先采用破碎機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 的方孔石子篩逐級進行篩分，方孔石子篩如圖 2-1 所示。（a）5 mm （b）10 mm （c）15 mm
【參考文獻】

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本文編號：2890607