摘要
随着城市的快速发展和不断扩张，大量煤矿的压煤面积与压煤总量持续增长，造成煤矿可采资源总量急剧缩减，极大的制约了煤矿企业的绿色可持续发展。为解决条带开采带来的回采率低、掘进率高等问题，并实现二次开采对地表沉陷影响的有效控制，本文通过理论分析、相似材料模拟、数值模拟及现场探测相结合的方法，对比分析了垮落法和膏体充填开采的覆岩移动和顶板下沉规律，提出了条带煤柱膏体置换开采技术方法，对膏体充填工作面顶板破坏机理和裂隙演化规律进行了研究，并得到以下主要结论： （1）基于对覆岩“活化”机理的研究，建立了“遗留条带煤柱-工作面顶板”承载结构体系与“条带充填体-工作面顶板”承载结构体系的覆岩结构模型，结合实际地质采矿条件分析了条带煤柱宽度与充填体抗压强度的关系和充填回收遗留条带煤柱的覆岩“活化”机理。 （2）基于相似材料模拟试验，研究了条带开采对采空区上方覆岩结构的影响，通过分别模拟采用垮落法管理顶板进行回采、采用充填法管理面后顶板进行遗留煤柱回收和膏体充填条带开采之后的三种状态，得出垮落条带开采后垮落带高度范围以内的上覆岩层发生下沉所产生的曲线呈现为波浪形，沉降活动较为显著。而距离地面较近的岩层发生的弯曲下沉却比较明显，最终累积下沉形成了盆地。采用垮落法开采后地表最大下沉值为650mm，由图可知，当遗留的煤柱进行充填开采以后，地表的最大下沉值变成了815.0mm，但是此处的遗留煤柱单单进行充填开采时，它的下沉值仅为45.0mm，相比实际开采下沉值减少了120mm。 （3）通过FLAC3D数值模拟研究了充填条件下覆岩及地表移动变形规律，对比煤柱充填开采前后煤岩弹性塑性区分布图可知，垮落条带开采后，应力集中于煤柱上方的覆岩中，且开采边界实体煤侧的应力集中系数小于煤柱区域的应力集中系数；当煤柱充填开采后，煤柱充填的二次采动大幅度扩大了原条带采空区顶板拉断区范围，最终顶板应力集中系数降低，应力扩散到边界实体煤中。使用充填体后其与顶板岩层重新形成稳定承载结构。 （4）通过与条带开采地表沉陷对比，得到充填二次采动相对前期条带开采地表变形无明显增加，地面沉降值最大是171mm，倾斜走向形变是-1.3~1.4mm/m，倾斜倾向形变是-0.9~0.9mm/m，水平走向形变是-1.2~0.6mm/m，水平倾向形变是-0.5~0.4mm/m，符合建筑物保护范围要求。
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