固体充填采煤地表沉陷预计模型和方法研究

地表沉陷预计问题是固体充填采煤技术应用于复杂难采煤层（如建筑物下、水体下、公路下）时面临的核心问题。固体充填采煤地表沉陷是充填体变形及其与上覆岩层协同作用后在地表的显现。项目围绕充填体变形测试、充填体与上覆岩层协同变形、地表移动盆地动、静态分布特征等关键问题开展研究。拟通过高应力条件下固体材料级配、缩尺效应研究，提出顾及级配特征的固体材料压缩变形准确测试方法；通过覆岩对充填体小变形、缓和变形特征的响应机理研究，建立顾及充填体非线性变形特征的充填体与上覆岩层协同变形的动态力学模型；从固体充填采煤地表沉陷的长时、密集观测角度，揭示固体充填开采地表点沉陷时序、尺度特征以及地表移动盆地演化规律和静态分布特征。在此基础上提出考虑充填体变形特性和覆岩运动特征的地表沉陷预计方法。研究成果对解决固体充填开采解放"三下"压煤、推动绿色开采技术发展、节能减排等具有重要理论价值。

固体充填采煤一种环境相容的开采沉陷控制技术，已在新汶、兖州、皖北、淮北等多个矿务局的“三下”（建筑物下、水体下和铁路下）压煤开采中得到应用。建筑物、水体等受护对象的特殊性以及“三下”压煤开采面临的种种经济、社会问题，使得固体充填采煤地表沉陷预计成为该方法推广应用中的核心问题之一。本项目针对固体充填采煤的地表沉陷预计开展了深入的基础理论和应用研究，主要研究内容及成果为：系统研究了矸石的级配特征，压缩变形性质，提出了矸石压缩应变本构方程以及大粒径矸石压缩应变测试方法；提出了固体充填模拟研究方法，给出了环境因素对相似材料模型的影响机理；提出了固体充填采煤相似材料模型的高精度连续监测方法，建立了基于液体静力水准的固体充填地表沉陷连续变形监测系统。在分析固体充填采煤地表沉陷主控因素的基础上，采用模拟研究、现场实测方法研究了固体充填采煤地表移动与变形规律，进而建立了固体充填采煤岩层移动的叠层板模型，同时基于随机介质和连续介质耦合的方法，建立了固体充填采煤地表沉陷静态、动态预计模型，并给出了参数的选取方法。项目研究成果花园煤矿、杨庄煤矿、济三煤矿等多个矿区固体充填采煤地表沉陷预计中得到应用，有力推动了固体充填采煤技术的发展，丰富了开采沉陷预计理论和方法。 .项目执行过程中，发表学术论文17 篇，其中SCI论文1 篇，EI论文5 篇；出版专著1部，合著专著1部；申报发明专利 3 项，授权发明专利 1项，授权实用新型专利 2 项；授权软件著作权 4 项；培养博士研究生 3人，硕士研究生 6 人；在德国亚琛工业大学作为访问学者访学一年，访问了德国布瑞维克、亚琛工业大学、SONCON公司、DMT公司、RAG公司等高校和企业；参加了国际矿山测量会议（德国亚琛）、中德开采沉陷控制学术会议（中国泰安）、国际矿山测量会议（中国徐州）等会议。；获得煤炭工业协会科技进步奖二等奖一项。