[01623474]深部开采覆岩运动规及沉陷控制

我国深部开采条件下的采场覆岩运动规律、地表变形特征与浅部相比存在明显差异,目前所采用的覆岩运动、地表沉陷等理论大都沿用浅部开采理论,而针对深部开采及特殊情况下的覆岩运动、地表沉陷控制技术等相关研究不足。本课题依托国家自然科学基金“深井覆岩结构变形动态演化规律及地表移动特征基础研究”（50874070）、“深部煤柱长期支承效应与蠕变破坏失稳基础研究”（51104094）,教育部博士点基金“深井覆岩结构变形动态演化规律研究”（200804240004）、“深井煤柱蠕变机制与支承效应研究”（20103718110001）,山东省优秀中青年科学家基金“深井煤柱蠕变支承效应与长期稳定性基础研究”（BS2010NJ013）,采用理论分析、室内岩石力学试验及相似模拟试验、数值模拟、现场探测、关键设备研制、工程应用及反馈分析等综合研究方法,对多种地质条件下的深部开采覆岩运动及地表变形规律、深部条带安全开采方案设计及条带煤柱长期稳定性能、深井覆岩体内高压浆体充填控制地表塌陷关键技术、深部膏体充填控制地表沉陷关键技术及相关监测设备研制等进行了深入而系统的研究,取得的主要创新性成果如下： （1）提出了小采宽和大采宽条带开采采场空间结构模型,研究了试验煤岩理论长期强度,建立了条带煤柱长期稳定性能监测和提升方法,提出了考虑尺寸效应、横向约束效应和时间效应的煤柱理论长期强度预测方法,评估了条带煤柱强度、变形特征和长期稳定性能。 （2）研究了巨厚砾岩下深部开采覆岩运动特征及离层发育演化规律,建立了巨厚砾岩承载力学模型,在此基础上提出了巨厚砾岩条件下地表斑裂产生的判据,并进行了现场验证。 （3）研究了薄松散层厚硬基岩、不同构造影响下深部重复采动地表斑裂和台阶下沉的发育规律、特征和机理,分析了翟镇井田重复采动下地表变形规律,拟合得到了各参数值。 （4）对厚表土层厚基岩下深部条带开采从采场顶板至地表的覆岩运动规律进行了分析,在分析长期监测的条带开采地表移动变形数据基础上,反演了厚冲积层、厚基岩条件下条带开采岩移计算参量;提出了基于应力场转移的覆岩形变模型,对某矿条采方案进行了设计研究,为深部条带开采提供了理论和技术上的支持。 （5）基于深井覆岩体内高压充填减缓地表沉降的作用机理,研究了深井覆岩体内高压充填关键技术,优化改造了注浆工艺和系统,并通过地表移动观测,对深部覆岩体内高压充填效果进行了分析评价。 （6）建立了膏体充填开采覆岩结构非均匀分段弹性地基梁力学模型,推导了不同充填率条件下顶板挠曲方程及断裂判据,提出了以控制“直接顶”运动为核心的膏体充填覆岩控制体系,发现了充填膏体宏观硬化现象,并采用SEM对其机理进行探讨,优化膏体充填材料配比和充填工艺系统,研制了以水泥熟料、水淬钢渣微粉为主的新型胶固材料以及膏体充填现场监测设备。 该项目的研究成果有利于探索深部开采覆岩运动规律及地表变形特征,丰富了多种地质条件下的深部开采覆岩运动规律及其引起地表特殊变形理论和沉陷控制技术;对预测和控制深部开采覆岩运动引发的煤矿顶板事故、地表突发性塌陷、地表建（构）筑物损害等有提供了相关理论依据和技术支持;对我国煤炭工业的可持续性发展、社会稳定、生态环境保护具有重要的现实意义和深远的社会意义。 项目成果在新汶、济北、淄博等多个矿区推广应用,安全采出建（构）筑物下压煤605.3Mt,本课题新增产值约为10.54亿元。其中,淄博矿业集团有限责任公司岱庄煤矿应用了“深井覆岩体内高压充填控制地表塌陷研究与实践”的相关研究成果,截至2012年12月采出（构）筑物下压煤91万吨,新增利税15988.6万元;山东济宁运河煤矿有限责任公司应用了“深井覆岩体内高压充填控制地表塌陷研究与实践”的相关研究成果,截至2012年12月采出（构）筑物下压煤155万吨,新增利税31406万元;新汶矿业集团有限责任公司华丰煤矿应用了“深井覆岩体内高压充填控制地表塌陷研究与实践”的相关研究成果,截至2012年12月采出（构）筑物下压煤245万吨,新增利税49588万元;淄博矿业集团有限责任公司岱庄煤矿应用了“煤矿膏体充填关键技术及相关监测设备研制”的相关研究成果,截至2012年12月安全采出（构）筑物下压煤114.3万吨,新增利税8431.1万元。 此外,依托本课题,共授权11项发明专利及12项实用新型专利;在《International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences》、《GeotechnicalTesting Journal》、岩石力学与工程学报、煤炭学报等国内外核心期刊上发表论文43篇,其中SCI、EI收录22篇;出版著作5部;在课题的研究过程中,培养博士研究生5人,硕士研究生10人。