深部矿井充填开采防治冲击地压的机理研究

With the increase of mining depth, rock burst accidents are rising, and lots of property losses and casualties are caused. In the meantime, a large amount of soil is occupied and environment is seriously polluted by coal gangue from mining. In this research, with associating theoretical analysis，numerical simulation，analog simulation with field test，the mechanical model of solid filler and coal-rock mass is built by analyzing the theological characteristic of coal-rock mass and the compacting theological characteristic of solid filler, then the stress distribution in solid filler and coal and rock mass with outburst-proneness and the rule of mining pressure are obtained. So the theory of controlling rock burst with solid filler is built and the theory of preventing rock burst is enriched. Based on the theory, the solid backfilling mining project for preventing rock burst will be designed. The research could provide theoretical and practical reference for preventing rock burst in deep mine, meanwhile, the environmental pollution with coal gangue can be solved. As a result, the aim of green and safe mining can be achieved.

随着煤炭开采深度的增加，冲击矿压事故呈上升趋势，造成大量人财物的损失。同时，煤矿开采中排放的矸石堆积在地表占用了大量的土地并带来严重的环境污染问题。本课题采用理论分析、数值模拟、相似模拟和现场测试相结合的方法，在深入研究煤岩体流变特征、固体充填物的压实与流变特征的基础上，构建煤岩体与固体充填物应力变化模型，得到深井冲击倾向性煤岩体、充填矸石的应力分布规律和充填开采采场矿压显现规律，形成固体充填开采技术防治冲击地压的理论，丰富防治冲击矿压技术理论体系。在此理论基础上，建立深部冲击地压工作面充填开采系统。研究成果对深井防治冲击矿压具有重要的理论和实践指导意义，并可解决煤矿排矸带来的环境污染问题，实现矿山高效绿色安全开采。

在巷式充填开采技术中，煤柱动力失稳所诱发的冲击矿压灾害严重威胁了工作面的安全回采。本课题综合应用煤岩力学实验、理论分析、数值模拟和工程实践等诸多研究方法，对巷式充填开采煤柱失稳机制及冲击矿压机理进行了系统深入的研究，取得如下创新性成果：.（1）通过设置六级位移加载速率，开展不同加载速率下煤岩冲击倾向性实验，得到加载速率对煤岩冲击倾向性的影响规律。.（2）采用断裂力学理论分析了煤柱板裂体的形成机制，基于煤柱板裂体动力失稳的能量机制，将煤柱板裂体和巷道顶板视为耗能体和释能体，建立由释能体和耗能体组成的双体系统力学模型，通过分析双体系统的能量平衡关系，得到基于折迭突变模型的煤柱动力失稳机理。.（3）通过分析巷式充填开采对上覆岩层运动的控制机理，建立了巷式充填开采承载体系力学模型，采用能量变分法推导出巷式充填开采煤柱弹性变形的解析解；基于弹性-粘弹性对应原理，引入煤岩体的伯格斯体流变模型和拉普拉斯变换理论，得到煤柱粘弹性变形的解析解；结合充填体的压实力学特性，提出巷式充填开采中煤柱与充填体发挥联合承载作用所需时间的求解方法。.（4）在FLAC3D数值分析软件中采用FISH语言对能量密度判据进行编程开发，用以评判巷道围岩的冲击矿压危险性；通过设计顺序开采、跳一开采、跳二开采和跳三开采四种巷道掘进次序，分析不同掘进次序下巷道围岩竖向应力和能量密度因子的变化规律，得到巷式充填开采中巷道掘进次序对煤柱稳定性的影响规律。.（5）针对某试验矿井的采矿地质条件，采用综合指数法分析了开采工作面的冲击危险等级；通过FLAC3D数值分析软件建立数值计算模型，采用能量密度判据分析巷道掘进过程中煤柱的冲击危险程度，得到试验矿井冲击矿压发生的主要原因，并提出相应的防治措施。