深部充填开采岩层控制理论与方法研究进展

我国深部煤炭资源丰富,煤炭开发已逐步向深部转移,深部灾害防控和矸石等矿山固废排放问题日趋严峻。充填开采是实现灾变调控、地表沉陷控制和矿山固废处置的重要手段,已在我国煤矿绿色开采、矿压控制与岩层移动等领域广泛应用。然而,相对浅部,深部“三高一扰动”条件下充填开采岩层控制更为复杂,因此,构建深部绿色充填开采岩层控制理论与方法体系,对于深部煤炭资源安全高效开采具有重要意义。本文在系统分析深部充填开采岩层控制面临挑战基础上,提出了深部充填开采关键科学问题、研究目标与总体思路,并从多场耦合作用下充填体-围岩交互作用机理、强扰动条件下充填采场矿压分析模型、深部充填开采岩层控制方法、充填体与地下水环境互相影响四个方面阐述了相关研究进展。

充填开采技术示意

深部开采岩层控制面临挑战

浅部与深部充填开采岩层控制的差异

深部充填开采岩层控制研究总体框架

散体充填物料承载压缩渗流规律

矸石充填体的应力—渗流—化学耦合作用

不同充实率顶板变形曲线

不同充实率应力变化曲线

深部充填采场矿压控制方法设计流程

重金属析出浓度随时间变化曲线

重金属元素在底板中浓度分布规律

重金属潜在污染调控设计流程

深部煤炭资源开发已成必然,由于面临的开采环境极其复杂,给深部充填开采岩层控制带来了诸多挑战,一方面要适应深部多场耦合环境条件,另一方面还要满足岩层精准控制的需求,因此,建立一套系统性的深部充填开采岩层控制理论十分必要。在国家杰出青年科学基金项目支持下,在把握深部充填开采岩层控制难点与关键点基础上,凝练出了3个关键科学问题,提出了深部充填开采岩层控制总体研究思路,在充填物料本构关系模型、深部充填采场矿压及其控制方法、深部充填体与围岩交互作用机理、充填物料与地下水环境互相影响4个方面取得了重要研究进展,初步构建完成了深部充填开采岩层控制理论体系。然而,深部充填开采研究领域极具挑战性,特别是深部煤炭资源开采越来越严峻的灾害控制问题,涉及学科多、技术难度大,需综合采用大数据、人工智能等多种现代化技术手段。下一步,需瞄准深部开采灾变的本质科学问题,从能量角度出发,持续开展充填开采对深部采动应力场的调控作用研究,开发深部充填开采岩层精准控制方法。