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主办单位:煤炭科学研究总院有限公司、中国煤炭学会学术期刊工作委员会

基于顶板结构断裂特征的煤矿结构充填关键位置确定方法

2024-05-23



本论文创新点



1)基于关键层塑性极限与塑性铰线结构形态,提出了针对于基本顶最大挠曲与沉降位置的“工字型”靶向结构充填,并给出了煤矿结构充填关键位置的确定方法。

(2)揭示了关键位置结构充填体与顶板岩层的力学互馈机理,掌握了不同“工字型”充填方案时面宽方向与推进方向顶板岩层非均匀沉降规律,阐明了非均布荷载作用下关键位置充填体塑性区扩展及其形变特征。
(3)提出了基于关键位置高强充填与重构空间储能、固碳的全新构想,可推动矿井残留空间再利用及资源可持续长效开发技术革新。

题 目



基于顶板结构断裂特征的煤矿结构充填关键位置确定方法


作 者



   
冯国瑞1,2,3,4,郭伟1,2,3,李竹1,2,3,戚庭野1,2,3,4,崔家庆1,2,3,崔业凯1,2,3,张志城1,2,3,蔡文浩1,2,3
单 位


1.太原理工大学 矿业工程学院

2.矿山岩层控制及灾害防控山西省重点实验室

3.山西省煤基资源绿色高效开发工程中心

4.山西浙大新材料与化工研究院


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摘   要



充填开采是控制岩层移动并降低地表沉降与环境损害的重要途径,而充填材料来源不足和充填成本高昂现成为制约井工煤矿充填开采推广应用的主要瓶颈。探寻重点区域的低充填率靶向充填新方法与配套技术是充填开采的研究热点之一。为解决上述问题,结合煤矿井下结构充填的学术思想,深入研究了顶板岩层断裂特征,明确了顶板岩层破断块体尺寸及铰接形态,识别了破断铰接块体主沉降区域,判定出结构充填的关键位置。结合关键位置确定方法,提出重点控制基本顶最大挠度位置,即板结构潜在张拉断裂位置(塑性铰发育位置)的“工字型”结构充填新方法。结合新阳矿岩层地质参数,借助FLAC3D数值模拟软件,深入分析了工作面采宽和推进方向上顶板岩层内应力、竖直沉降、塑性区分布规律,揭示了不同方案下充填体稳定性演变特征。结果表明:“工字型”充填在节省充填用量的基础上,较垮落式开采减少初采期直接顶沉降量33.47%,与全部充填仅相差2.3%。同时,关键位置充填体能有效应对顶板回转下沉引起的应力集中,保持自身稳定性,实现对顶板的长效支撑。综合分析得到了新阳矿首采工作面初采期“工字型”结构充填最佳充填方案为中部条带长度72 m,宽度7 m,两侧条带长度18 m,宽度6 m,较全部充填可减少充填材料成本33.86 万元。该方案形成的密闭空间为1980 m3,占总采出空间的44%,可用来储能或碳封存,助力实现零碳绿色开采,推动双碳目标的实现。








作者简介





    
冯国瑞

教授

博士生导师

冯国瑞,男,汉族,1976年7月生,山西阳城人,中共党员,教授,博士生导师。国家杰出青年科学基金获得者、国家优秀青年科学基金获得者、国家“万人计划”科技创新领军人才、国家百千万人才工程人选,“科学探索奖”获得者。现任山西能源学院党委委员、党委副书记、院长,兼任矿山岩层控制及灾害防控山西省重点实验室主任、山西省煤基资源绿色高效开发工程研究中心主任、山西省“1331工程”提质增效科技创新团队带头人、美国采矿、冶金与勘探协会(SME)会员、全国煤炭工业矿山建设与支护专家委员会副主任、中国煤炭学会青年工作委员会副主任、山西省煤炭学会副理事长,《山西煤炭》主编,《煤炭学报》《煤炭科学技术》《岩石力学与工程学报》《采矿与安全工程学报》《采矿与岩层控制工程学报》《矿业科学学报》编委,教育部高等学校矿业类专业教指委委员、山西省高等学校地质矿业和安全科学与工程类专业教指委主任。




研究方向


难采煤炭资源安全绿色开采与灾害防控
主要成果



 

主持国家自然科学杰出青年基金项目、国家自然科学基金重点项目、国家自然科学基金联合基金重点项目等国家级科研项目8项、山西省重大专项等省部级和企业委托科研项目30余项,出版著作7部,发表论文200余篇,其中SCI、EI收录180余篇,授权国家发明专利100余项,获国家教学成果二等奖、山西省技术发明一等奖、中国煤炭工业科学技术一等奖、中国职业安全健康协会科技进步一等奖、山西省科技进步一等奖、中国专利优秀奖、山西省教学成果特等奖等省部级一等以上科研教学成果奖10项、二等奖多项,曾获得国家有突出贡献中青年专家、国务院特殊津贴专家、科技部中青年科技创新领军人才、教育部新世纪优秀人才、全国煤炭教学名师、山西省委联系的高级专家、山西省劳动模范、山西省新兴产业领军人才、山西省科技创新重点团队带头人等荣誉称号。

引用格式




冯国瑞, 郭伟, 李竹, 等. 基于顶板结构断裂特征的煤矿结构充填关键位置确定方法[J].煤炭科学技术, 2024, 52(4): 38-49.

FENG Guorui,GUO Wei,LI Zhu,et al. Method determination on key position of coal mine constructional backfill based on fracture characteristics of roof structure[J]. Coal Science and Technology,2024,52(4):38−49.




END

责任编辑:朱恩光

整       理:冯春晖

审       核常   琛

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  责任编辑:宫在芹
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毕业于黑龙江科技学院,采矿工程、工商管理双学士学位,采矿工程高级...

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