由于充填材料不足和充填成本较高等因素的影响,部分充填岩层控制技术尚未广泛应用于采空区遗留煤柱群的链式失稳防控中。因此,非常有必要借鉴部分充填的技术思路提出一种适应于采空区遗留煤柱群链式失稳防控的技术方法。
为此，太原理工大学白锦文副研究员在《煤炭学报》2021年第2期“新锐科学家”特刊撰文“关键柱柱旁充填岩层控制基础理论”，为方便大家深入了解本文内容，《煤炭学报》邀请白锦文副研究员通过视频对相关成果进行了详解。
1 视频讲解
2 创新点 （1）基于煤炭资源绿色开采理念和遗留煤柱群链式失稳的关键柱理论，提出了关键柱柱旁充填岩层控制技术方法。 （2）揭示了关键柱柱旁充填岩层控制的核心机理，主要体现在：①关键柱与柱旁充填体的耦合承载；②柱旁充填体对关键柱产生侧向约束；③关键柱受力状态向应变强化的转变；④关键柱强度的长度劣化减弱。在此基础上，确定了关键柱柱旁充填体的主要材料、抗压强度、临界宽度和基本形态。 （3）通过“关键柱-柱旁充填体”的应力分布和塑性区分布特征，评价了关键柱柱旁充填岩层控制的效果。
作者简介
白锦文，男，1990年6月生，山西柳林人，中共党员，副研究员，博士（后）。2016年毕业于太原理工大学，获矿业工程硕士学位。2018年赴澳大利亚纽卡斯尔大学联合培养。2019年毕业于太原理工大学，获矿业工程博士学位。2019年12月起，在太原理工大学矿业工程学院采矿工程系工作。主持国家自然科学基金青年基金项目、山西省重大专项子课题、山西省出国留学人员择优资助项目和山西省高等学校科技创新项目等国家级/省部级科研项目4项，作为研究骨干参与国家杰出青年科学基金项目和国家自然科学基金面上项目等，以第一或通讯作者在《煤炭学报》和《采矿与安全工程学报》等国内外知名学术期刊上发表论文9篇，授权国家发明专利10余项，荣获山西省技术发明一等奖、中国煤炭工业科学技术一等奖、中国专利优秀奖、山西省优秀博士论文奖、山西省优秀硕士论文奖和“晋昌”博士创新奖等奖励。
研究方向
难采煤炭资源开采岩层控制
主要成果
发现了遗留煤柱群的最弱失稳致灾模式，界定了关键柱的基本概念，分析了关键柱的主要特征，提出了关键柱判别的技术方法，研发了基于Python语言的关键柱智能判别软件，揭示了关键柱局部失稳诱发煤柱群链式失稳的机理，形成了遗留煤柱群链式失稳的关键柱理论，并开发了关键柱柱旁充填防控遗留煤柱群链式失稳的技术方法，为保障采（老）空区遗留煤柱群的长期稳定性提供了理论支撑。
3 摘 要 采空区遗留煤柱群链式失稳表现出明显的联动致灾效应。运用遗留煤柱群链式失稳的关键柱理论,提出了关键柱柱旁充填岩层控制的技术方法,揭示了关键柱柱旁充填岩层控制的核心机理,确定了柱旁充填体材料、强度、宽度和形态等技术参数,评价了关键柱柱旁充填岩层控制的效果,并对其潜在的应用范围与领域进行了展望。结果表明:
①关键柱柱旁充填岩层控制技术方法通过在采空区煤柱群体系的关键柱旁边实施柱旁双侧全部充填、柱旁双侧部分充填、柱旁单侧全部充填或柱旁单侧部分充填等工艺,使采空区中形成的柱旁充填体不仅能对关键柱起到侧护作用,还能形成“关键柱-柱旁充填体”的协同承载结构体,进而实现采场岩层移动的有效控制,并保障煤炭资源的安全高效绿色开采。
②关键柱柱旁充填岩层控制的核心机理主要体现在4个方面:关键柱与柱旁充填体的耦合承载、柱旁充填体对关键柱产生侧向约束、关键柱受力状态向应变强化的转变、关键柱强度的长期劣化减弱。
③关键柱柱旁充填体的材料以返井固废充填材料和原位固废充填材料为主,柱旁充填体的极限抗压强度应大于或等于其分担的载荷,柱旁充填后“ 遗留煤柱-柱旁充填体”耦合承载体中屈服区的宽度不能扩展与延伸至“ 关键柱” 的原始弹性核区内,柱旁充填体的形态主要包括矩式、梯式、台阶式和多级梯式四大类。
④柱旁充填后关键柱的应力集中程度会降低,其两侧塑性核区的宽度减小,且中央区域弹性核区的宽度增大;“ 关键柱-柱旁充填体” 的应力分布与塑性区分布特征表明关键柱柱旁充填岩层控制的效果良好。
⑤关键柱柱旁充填岩层控制基础理论不仅可以用于采空区遗留煤柱群链式失稳的防控,还能应用于优质遗留煤炭资源复采和地下空间维护与利用等技术领域,更能推广于非煤矿山资源开采技术领域。 4 部分图片
关键柱柱旁充填示意
柱旁充填前后的承载传播范围对比
关键柱柱旁充填前后承载示意
不同侧向载荷对关键柱承载特性的影响
关键柱柱旁充填体材料选取及其适用条件
矩式柱旁充填体
梯式柱旁充填体
台阶式柱旁充填体
多级梯式柱旁充填体
不同充填体宽度情形下“关键柱-充填体”的垂直应力分布
不同充填宽度情形下“关键柱-柱旁充填体”塑性区分布
白锦文,崔博强,戚庭野,等. 关键柱柱旁充填岩层控制基础理论[J]. 煤炭学报,2021,46(2):424-438.
BAI Jinwen,CUI Boqiang,QI Tingye,et al. Fundamental theory for rock strata control of key pillar-side backfilling[J]. Journal of China Coal Society,2021,46(2):424-438.
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