煤矿固体充填体密实度控制机理与方法研究

Solid backfill mining, as an original green mining technology invented by some Chinese scholars, could significantly reduce the environmental destruction caused by ground subsidence while, at the same time, disposing of solid waste in a large scale. The critical key in the application of this technology has proven to be the control of the ratio of the backfilling material, which is also one of the important theories needed to be explored and perfected. Based on the analysis of characteristic variation of compression ratios influenced by different factors and the character of particle breakage and size distribution under varying stress, a continuous-separate coupling micro-mechanics model of solid backfill material revealing the influence of main controlling factors on the compression ratio will be proposed; meanwhile, a method of optimizing material composition, particle size distribution and developing the tamping device will be given; to insure the backfill quality, this proposed research aims to develop a comprehensive real-time monitoring and controlling system as well as a feedback mechanism. These expected results could give a theoretical basis for choosing backfill material, optimizing tamping device and controlling compression ratio.

固体废弃物充填采煤技术是我国独创的煤炭绿色开采技术之一，实现了矿区固体废弃物规模化置换“三下”压煤，减弱了煤炭开采沉陷对环境的影响，而实施该项技术的关键之一是充填体密实度控制，也是固体充填采煤技术推广应用中亟需开展研究与完善的理论之一。本项目在分析不同因素影响下固体充填体密实度变化规律以及不同外力作用下固体充填材料颗粒破碎特征与级配变化的基础上，建立固体充填体连续-离散耦合的细观力学模型，揭示主控因子对固体充填体密实度的控制机理；建立固体充填材料有机组合、颗粒级配优化的密实度控制方法，以及机械化夯实控制固体充填体密实度方法；研发固体充填体监测与控制系统，构建固体充填体密实度监控反馈机制，对不同试验矿井固体充填体密实度进行现场实测分析，为采用固体充填采煤的“三下”压煤矿井充填材料选择、机械夯实机构优化及密实度控制提供理论指导。

固体充填采煤技术的应用实现了矿区固体废弃物规模化置换“三下”压煤，减弱了煤炭开采沉陷对环境的影响，而实施该项技术的关键之一是充填体密实度控制，也是固体充填采煤技术推广应用中亟需开展研究与完善的理论之一。本项目通过优化与设计固体充填体密实度测试实验系统，在分析不同因素对固体充填材料密实度的影响规律与外力作用下固体充填材料颗粒破碎特征与级配变化的基础上，建立了固体充填体连续-离散耦合的细观力学模型，研究了散体矸石充填材料在三轴压缩条件下的宏-细观力学特征；在系统分析机械夯实控制固体充填体密实度动态变化的机理的基础上，建立了固体充填材料有机组合及颗粒级配优化的密实度控制方法，以及机械化夯实控制固体充填体密实度方法；构建了固体充填体密实度现场测试方法，研发了固体充填体监测与控制系统，建立了固体充填体密实度监控反馈机制。研究表明：松散矸石侧限压缩过程中，侧压力与轴压成正比关系，科学合理的粒径配比能有效控制松散矸石的侧压系数；松散矸石的承载能力随着围压的增加而增加；随着围压的增加试样内部力链间的相互贯通程度逐渐增强，接触力链总数及颗粒间最大接触力逐渐增大；在竖向压力的传递过程中大粒径矸石表面接触力明显大于小粒径矸石表面接触力，表现出明显的骨架作用，是松散矸石抗变形能力的主体；经前期循环加载之后试样再次承载时其抗变形能力显著提高；试样破碎率Bg随循环加载次数的增加而增加，当循环加载次数超过4次时，试样破碎率逐渐趋于稳定，试样中最大粒组颗粒破碎最明显；在固体充填采煤过程中，通过在夯实机构安装夯实力监测仪对其夯实力进行实时监测，并根据监测结果不断调整充填工艺和夯实机构的夯实力，能够保证充填体的承载性能达到设计要求。研究成果为采用固体充填采煤的“三下”压煤矿井的采空区密实度控制提供指导，对丰富固体充填采煤理论，完善固体充填采煤方法具有重要理论意义，并具有广阔的应用前景。