论文中文题名: | 短壁连采连充矸石充填材料力学特性及采场稳定性控制研究 |
姓名: | |
学号: | 21203077032 |
保密级别: | 公开 |
论文语种: | chi |
学科代码: | 0819 |
学科名称: | 工学 - 矿业工程 |
学生类型: | 硕士 |
学位级别: | 工学硕士 |
学位年度: | 2024 |
培养单位: | 西安科技大学 |
院系: | |
专业: | |
研究方向: | 充填开采与岩层控制 |
第一导师姓名: | |
第一导师单位: | |
论文提交日期: | 2024-06-19 |
论文答辩日期: | 2024-06-06 |
论文外文题名: | Research on the mechanical properties of gangue filling materials and the control of mining face stability on short wall continuous mining |
论文中文关键词: | |
论文外文关键词: | Gangue-filled materials ; Lateral limit compression ; Macro-mechanical properties ; Microscopic evolution ; short-wall continuous mining and filling ; Stability of the coalface |
论文中文摘要: |
短壁连采连充技术对于残采区煤炭资源回收、矸石等固废的再利用、控制采场稳定性等方面具有突出优势,是绿色采矿技术发展的重要方向,矸石充填材料的侧限压缩力学特性与采场稳定性控制是实施连采连充技术的重要基础。本文采用理论分析、实验测试、数值模拟等方法,研究矸石充填材料压实过程中的宏-细观力学性质、充填采场覆岩支撑体系演变过程,测试了矸石充填材料的压实宏观力学特性,分析了细观参数对宏观充填材料的影响,揭示了充填矸石材料压实细观颗粒组构演化规律,建立了短壁连采连充全过程采场顶板力学模型,提出了支巷宽度及煤柱宽度计算方法。论文取得的主要成果包括以下几个方面: (1)分析了矸石充填材料侧限压缩过程中的宏观力学特性。获取完整矸石材料及不同级配破碎矸石的基本物理力学参数,得出矸石材料侧限压缩过程中应变-应力呈现对数关系、且其曲线具有明显的分区特征,分别为初步压实区、破裂致密区和整体稳定压实区;明确了矸石材料的变形模量与轴向应力之间的一次函数关系,得出了矸石充填材料的力学性能最优级配,构建了破碎矸石压实过程中的宏观本构模型。 (2)明确了矸石充填材料侧限压缩过程中的细观力学特性及力链演化规律。颗粒间接触模量与充填体抗变形能力呈反比关系,在低应力阶段尤为明显;颗粒间摩擦系数变化对高应力阶段影响较大;矸石材料的力学配位数随轴压增大而增大,但速率逐渐放缓;矸石材料的孔隙率减小主要发生在压缩前期的初步压实阶段;位移场在全过程具有明显的分层现象;在轴向载荷施加作用下,力链会逐步延伸,并相互连接;当大粒径颗粒占比增大时,接触力主要分布角度向大颗粒骨架方向偏转,由“类竖沙漏”形转变为“类横沙漏”形。 (3)从短壁连采连充全过程的采场稳定性控制角度,将顶板结构归纳为“顶板+两侧煤柱”、“顶板+两端充填体”以及“顶板+两侧煤柱+充填体”三种力学结构;分别得到了不同结构下的直接顶下沉量、弯矩及转角计算公式,并引入级配参量,总结出了支巷宽度及煤柱尺寸计算的一般方法,并得出麦垛山煤矿连采连充工艺的煤柱宽度为5.0m,支巷宽度为5.0m。 (4)确定了麦垛山残采区短壁连采连充工艺参数、矸石充填参数、具体的采充流程、支护参数及关键设备选型。数值验证结果表明连采连充全过程充填体及煤柱的最大支承应力均小于其许用应力,残采区短壁连采连充工艺参数设计合理。 |
论文外文摘要: |
Short-wall continuous mining and filling technology for the recovery of coal resources in the residual mining area, the reuse of gangue and other solid wastes and control of the stability of the quarry has outstanding advantages, is an important direction for the development of green mining technology, gangue filling material compaction mechanical properties and quarry stability control is an important basis for the implementation of continuous mining and charging technology. This paper comprehensively adopts theoretical analysis, experimental testing, numerical simulation and other methods, the macro and fine mechanical properties of gangue filling material compaction, the evolution of the overburden rock support system to carry out a systematic study, testing the compaction of gangue filling material macro mechanical properties, analyzing the influence of fine parameters on the macro-filling material, revealing the compaction of gangue filling material fine granular group structure of the evolution of the law, and established a short wall continuous mining and charging The mechanical model of the roof plate in the whole process of quarry is established, and the calculation methods of the width of the supporting channel and the width of the coal pillar are proposed. The main achievements of the thesis include the following aspects: (1) Analyzed the macroscopic mechanical properties of gangue filling materials in the process of side-limit compression. The basic physical and mechanical parameters of complete gangue material and different grades of crushed gangue are obtained, and it is concluded that the strain-stress of gangue material shows a logarithmic relationship in the process of side-limit compression, and the curve has obvious partition characteristics, respectively, for the preliminary compaction area, rupture dense area and the overall stable compaction area; the primary function relationship between the deformation modulus and axial stress of gangue material is clarified, and the mechanical properties of gangue filling material are obtained. The optimal grading of the gangue filling material is obtained, and the macroscopic isomorphic model of the compaction process of broken gangue is constructed. (2) The fine mechanical properties and spatial structure evolution law of gangue filling material in the process of side-limit compression were clarified. The contact modulus between particles has an inverse relationship with the deformation resistance of the filling body, which is especially obvious in the low stress stage; the change of the friction coefficient between particles has a greater influence on the high stress stage; the mechanical coordination number of gangue material increases with the increase of axial pressure, but the rate gradually slows down; the porosity of gangue material decreases mainly in the preliminary compaction stage before the compression stage; the displacement field has an obvious phenomenon of layering in the whole process; the majority of the axial Most of the axial load is mainly borne by the "skeleton force chain" structure particles, under the axial load, the force chain will gradually extend and connect with each other; when the proportion of large particle size particles increases, the main distribution angle of the contact force to the direction of the skeleton of the large particles deflected from the "class of vertical hourglass The main distribution angle of contact force is deflected to the direction of large particle skeleton when the proportion of large-size particles increases, and the contact force changes from "vertical hourglass-like" to "horizontal hourglass-like". (3) From the perspective of stability control of the quarry in the whole process of short-wall continuous mining and continuous charging, the top plate structure is summarised into three mechanical structures: "top plate + coal pillars on both sides", "top plate + filling body at both ends" and "top plate + coal pillars on both sides + filling body"; the formulas for calculating the direct top subsidence at different stages of mining under different structures are obtained respectively; the bending moment and corner calculation formulae are also introduced. The three mechanical structures of "roof+both sides coal pillar", "roof+both ends filling body" and "roof+both sides coal pillar+filling body" are summarized; the formulae for calculating the direct roof subsidence, bending moment and turning angle at different stages of mining under different structures are obtained respectively, and the general method for calculating the width of the support road and the size of the coal pillar is summarized by introducing the graded parameter, and the width of the coal pillar in the Maiduoshan Mine for continuous mining and filling process is 5.0m, and the width of the support road is 5.0m. (4) The short-wall continuous mining and charging process parameters, gangue filling parameters, specific mining and charging process, support parameters and key equipment selection were determined for the residual mining area in Maiduoshan. Numerical verification results show that the maximum support stress of the filling body and coal pillar in the whole process of continuous mining and charging is less than its permissible stress, and the design of short-wall continuous mining and charging process parameters in the residual mining area is reasonable. |
参考文献: |
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中图分类号: | TD325 |
开放日期: | 2024-06-19 |