复杂应力状态下条带煤柱的延时特性研究

There are great differences between shallow mining and traditional mining coal pillars of duration stability of the pillar under complex stress state of deep mining，goaf narrow pillar mining filling，and room and pillar type mining. Therefore, it is an important problem to be resolved to make reasonable design method of a coal pillar under the complex stress and specific need time delay stability. In the project, the delay of the coal pillar properties and time need frame stability is analysed by creep theory combined with elastic-plastic theory, and the mechanical properties of the pillar in different coal pillar stress conditions is researched based on the theoretical research, similar material simulation experiment, mechanics experiments and field test and monitoring. The related mechanical parameters under different conditions are established.The coal pollar's mechanical characteristics and time delay characeristics under different conditions are simulated by the numerical analysis simulation software, such as FLAC-3D and 3DEC.Then the simulation results are compared with the experimental and on-site monitoring results, in order to determine the rule of variation and trend of deformation of coal pollar stability under the complex stress in different periods, and the mechanical equations and judging formula are established. All of the above researchs are the basis of theorys of the design of coal pillar, support way and prediction of ground surface subsidence under the complex stress in deep mining, backfill mining and Room-and Pillar mining.

深部开采、窄煤柱充填开采、房柱式开采等复杂应力条件下煤柱的不同时长稳定性和留设依据与浅部开采及传统煤柱留设有很大区别，合理确定复杂应力状态下特定需要时间段内煤柱延时稳定性和煤柱留设方法是亟待解决的重要问题。项目引入蠕变理论，结合弹塑性理论对煤柱的延时特性和需要时间段内的稳定性进行分析，利用理论研究、相似材料模拟实验、煤岩体力学实验和现场检测及反演分析等手段研究煤柱在不同复杂应力条件下呈现出来的力学蠕变特性。同时，利用FLAC-3D、3DEC软件对不同受力条件下煤柱的力学特性和延时特性进行模拟研究分析，并与实验和现场监测结果对比分析，从而确定煤柱在不同时间段内受复杂应力作用下的稳定性变化规律，构建力学方程及煤柱失稳判定公式，建立煤柱分时段稳定性的评价体系，给出煤柱在荷载作用下失稳所需时间的计算方法，为井下煤炭开采复杂应力作用下不同时间段内按需留设煤柱及覆岩和地表采动变形预计等提供理论依据。

随着开采技术的不断发展，煤炭需求量的愈发增大，在满足国民经济能源需求的同时，可能还会引起环境污染和社会问题。基于煤矿绿色开采理论，矸石充填开采法既能减少矸石的堆积，减缓环境污染，又能有效的控制上覆岩层的移动，达到减缓地表下沉的目的。项目以此为出发点，以蠕变理论为基础，对矸石充填侧向约束作用下复杂应力状态留设条带煤柱的延时特性进行了研究。以铁煤集团晓南煤矿为工程背景，利用碎矸体压缩级配试验、公式推导、数值模拟分析等方法进行研究分析，得出了以下结论：. （1）提出了对碎矸体实施侧向压缩的方法，并对不同级配的碎矸体进行了轴向压缩和侧向压缩试验，分析不同级配碎矸体的压缩特性。通过数据分析得到了碎矸体压缩率与竖向应力的关系曲线，以及竖向压力与侧向压力的关系曲线，并计算得出了不同级配碎矸体的侧压系数。. （2）基于矸石充填开采原理，结合工程实例，利用威尔逊经典公式、开采宽度、留设煤柱宽度及屈服区宽度公式，建立了煤柱在碎矸体侧向挤压下的理论公式。. （3）利用FLAC3D对不同采宽和不同柱宽下的煤柱变形进行了数值模拟，研究了不同方案下煤柱应力应变、顶板应力场变化规律及煤柱屈服区宽度在不同采宽和柱宽下的变化规律，确定煤柱在不同时间段内受复杂应力作用下的稳定性变化规律和失稳演化规律。在此基础上，构建了力学方程及煤柱失稳判定公式。. （4）通过对碎矸体在未受压和受压状态下煤柱的变形进行了数值模拟分析，总结得出碎矸体充填开采上覆岩层应力场变化和煤柱、围岩变形规律，碎矸体压缩率越小，对煤柱的侧向约束就越大，堆积形成的约束就能有效增强煤柱强度和减少煤柱的屈服区，煤柱就越稳定，最终达到了减缓地表下沉的目的。. 通过对复杂应力状态下条带煤柱的延时特性进行研究，为“三下”煤炭资源开采在理论和技术上提供了理论参考依据，为进一步研究条带煤巷充填开采预留煤柱提供研究基础。因此，该项目研究具有广泛应用前景。