煤矿高浓度胶结充填开采,在采出煤炭资源的同时,以煤矸石、粉煤灰、水泥、外加剂和水等制成的高浓度胶结充填物充填采空区,限制采空区上覆岩层移动变形,从而控制地表沉陷。为分析胶结充填开采单工作面顶板变形机理以及跨工作面(将若干个相邻的平行工作面组成的区域定义为“跨工作面区域”)上覆岩层移动变形规律,综合运用理论分析、试验测试、相似材料模拟和数值分析等方法,建立了胶结充填开采单工作面顶板岩梁力学模型和跨工作面顶板岩层力学模型。在充填开采单工作面区域内,构建了“煤壁-支架-顶板岩梁-充填体”结构的力学模型,分析了顶板岩梁的受力和弯矩,基于弹性地基梁模型,对顶板的移动变形规律进行了分析。在胶结充填开采跨工作面区域内,构建了“煤柱-顶板岩层-充填体”结构的力学模型,在此基础上提出了连续“W”形弹性板理论,研究了煤矿高浓度胶结充填开采上覆岩层的移动变形特征。开展的主要研究工作如下:(1)分析了高浓度胶结充填材料的物理化学特性,通过设计正交试验得到胶结充填材料的合理配比,分析了充填材料凝结后的单轴抗压强度随时间的变化规律并进行了拟合分析,通过试验得到充填体材料压缩破坏的应力应变全过程曲线。研究结果表明:高浓度胶结充填体单轴抗压强度随凝结时间的增长而增加,至28d左右趋于稳定并达到最大值,数据拟合结果表明充填体单轴抗压强度为凝结时间的二次函数,但可以用线性关系近似表征二者之间的关系。因此,在进行运算时,为简化处理,可以将充填体单轴抗压强度视为凝结时间的线性函数。凝结28d后的高浓度胶结充填体试样压缩破坏应力应变全过程曲线与粉砂岩类似,分为压实阶段、线弹性阶段、屈服变形阶段和破坏阶段四个阶段。(2)充填材料的存在,改变了采空区的围岩应力结构,在一个回采空间内形成“煤壁-支架-顶板-充填体”的小结构,在相邻的跨工作面间形成“煤柱-顶板岩层-充填体”的大结构。结合充填体强度形成的时间特性,建立了单工作面“煤壁-顶板-充填体”的力学结构模型,分析顶板岩梁的剪力、弯矩分布,得出工作面推进速度与充填体强度形成速度之间的关系。将充填体视为弹性地基,对顶板岩梁进行移动变形分析,并通过相似材料模拟试验验证理论分析结果。(1)基于煤壁、采场支架、充填体和顶板的联合作用,建立了胶结充填开采顶板岩梁力学模型,该模型为两端固支的“煤壁-支架-充填体”联合支撑的超静定力学结构,根据胶结充填材料强度形成与时间的关系特性,将充填体所在区域沿工作面推进方向分为强度增长区和强度恒定区2个区域,分析了2个区域的充填体强度界限。对顶板岩梁进行受力分析,求出顶板岩梁剪力和弯矩的表达式以及岩梁两固支端的支座反力1R、2R和弯矩1M、2M。工作面支架的工作阻力和充填体的支撑能力对顶板岩梁剪力和弯矩的分布影响较大,与垮落法相比,岩梁两端支座反力和弯矩均较小。讨论了胶结充填材料强度形成速度与工作面推进速度之间的关系,根据充填开采极限跨距的概念以及充填材料强度形成的时间关系,计算了工作面推进速度与充填体强度形成速度之间的关系。(2)将胶结充填体视为弹性地基,对顶板岩梁的移动变形进行了分析。利用初参数法求出顶板岩梁在煤体侧和采空区侧的下沉曲线,以及工作面前方煤体、采空区充填体的垂直应力方程。分析煤层埋深H、煤体地基系数mk、充填体地基系数ck、岩梁弹性模量E、岩梁厚度h和顶板与充填体接触时下沉量0z六个参数对顶板岩梁下沉量、工作面前方煤体、充填体垂直应力的影响,结果表明顶板与充填体接触时下沉量0z为主要影响因素,0z是控制顶板岩梁下沉、减小煤壁垂直应力的关键因素。(3)相似模拟和数值模拟表明,充填开采时,顶板岩梁仅发生弯曲下沉,没有发生垮落现象,工作面前方出现增压区,在充填体侧出现减压区。随着充填率的增加,覆岩的移动变形量减小,充填体和工作面前方煤体的支承压力变小。顶板与充填体接触时的下沉量是影响充填开采顶板岩梁移动变形的关键因素,可以通过提高充填率等方式减小顶板与充填体接触时的下沉量,使充填开采达到控制上覆岩层移动变形、控制地表沉陷的效果。(3)以新阳矿十采区为背景,研究了跨工作面间形成“煤柱-顶板岩层-充填体”的大结构覆岩移动变形特征,分析了煤柱和充填体的作用机制,提出胶结充填开采跨工作面连续“W”形弹性板理论,建立连续“W”形弹性板力学模型,分析在该结构移动变形情况下地表沉陷规律。并通过相似材料模拟试验进行了验证。(1)对高浓度胶结充填开采跨工作面顶板岩层进行了受力分析,构建了“煤体-顶板岩层-充填体”联合作用的协同支撑体系。分析了煤柱和充填体的作用机制,煤柱起到支撑顶板及上覆岩层载荷的作用,充填体的支撑作用有两个方面:对顶板岩层产生竖直向上的支撑作用力;对煤柱产生侧向支撑力,将煤柱的受力状态由二维受力变为三维受力,提高了煤柱抗压强度。推导了胶结充填开采条件下煤柱稳定的条件以及“煤体-顶板岩层-充填体”协同支撑体系稳定的条件。并在此基础上提出了基于弹性薄板理论的连续“W”形弹性板理论。(2)建立了胶结充填开采跨工作面顶板连续“W”形弹性板力学模型,分析了连续“W”形弹性板形成的基础、板结构连续的条件以及最大挠度,分析了顶板的最大下沉量max?与充填率η、充填体压缩率?、顶板与充填体接触前位移量0z之间的关系,提高充填率、降低充填体压缩率、减小顶板与充填体接触前位移量,有利于维护“煤柱-顶板岩层-充填体”协同支撑体系的稳定性,同时也有利于减小顶板下沉量,控制地表沉陷。(3)相似模拟和数值模拟结果表明,胶结充填开采,在跨工作面区域内,基本顶在煤层倾斜方向上发生了“W”形连续弯曲下沉,不发生破断,基本顶的最大下沉量发生在各工作面中点位置。在跨工作面区域内,基本顶垂直方向应力峰值位于各工作面间煤柱边界处,基本顶应力峰值与充填率有关,随充填率的减小而增大。(4)以新阳矿十采区10203工作面和小屯矿14259工作面为工程背景进行了高浓度胶结充填开采工业试验,分别对新阳矿10203工作面和小屯矿14259工作面矿压监测结果和地表沉陷监测结果进行分析,结果表明胶结充填开采工作面前后方支承压力较垮落法减小很多,工作面周期来压不明显。小屯矿充填开采采空区上覆岩层的运动变形为整体移动,地表最大变形量218.8mm。