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充填开采是抑制采场围岩变形和地表沉陷、降低突水溃砂危险性的有效方法之一,从围岩-充填体组合体系动态时空演化的角度研究充填体对围岩稳定性的控制作用及减沉机理是当前充填开采领域亟待解决的难点和重点课题。本文围绕围岩-充填体组合体系应力-位移时空演化状态、特征与机理展开研究,建立了充填开采围岩-充填体组合体系模型,通过模型试验,获得了基于时空过程的围岩-充填体组合体系应力和位移动态演化特征,建立了应力和位移的时空立方体可视化模型,以及应力-位移关联程度及状态的对称KL-散度定量表征和度量框架,构建了基于能量耗散的充填开采组合体系稳定性判据。取得的主要成果如下:(1)构建了研究区充填开采围岩-充填体组合体系模型,并根据围岩-充填体组合体的采动行为对其进行了划分。以山东太平煤矿充填开采为工程背景,构建了包括物质组成、岩体结构和赋存环境的充填开采围岩-充填体组合体系,本文选择其中的围岩-稳定充填体(SRSF)和围岩-扰动充填体-稳定充填体组合体系(SRDSF)两种类型进行了重点研究。(2)采取太平煤矿井下2年的充填物样品,通过室内分析测试,获得了井下充填体力学和水稳性能以及微观孔隙结构特征。测试得到充填体单轴强度为7MPa,抗拉强度最大为1.01 MPa;充填体的三轴强度超过10 MPa,地下水减弱充填体抵抗循环加卸载的能力;充填体渗透率为特低级别,渗透系数与黏土接近,为较好的隔水层。微观结果表明,充填体粘土矿物含量为11%,抵抗水的侵蚀能力较强;充填体属多孔结构,以中孔和小孔为主,降低充填体的渗透特性,放射状生长的针棒状Aft增大了比表面积和孔隙体积,网状结构使孔隙结构更加稳定。(3)通过模型试验获得了围岩-稳定充填体组合体系(SRSF)应力和位移的动态演化特征,竖向应力的变化逐渐向顶板竖向传递和推进方向水平传递,横向应力水平和纵向传播范围有限,顶板28 cm(模型尺寸)和底板16.8 cm为应力升高的宏观应力壳,竖向和横向应力超前影响距离分别为30 cm和35 cm。顶板下沉曲线形态演化为“单峰”-“双峰”-“近平底”,顶底板下沉和隆起系数分别为0.19和0.014,顶底板最大位移随开采指数增加,顶板位移传递系数ε演化过程分为缓慢传递、加速传递、匀速传递和稳定传递4个阶段;底板ε主要为波动加速传递。裂隙演化形态为锥形-平行四边形-前高后低的驼峰状-前后持平的梯形-前低后高的驼峰状,具有非对称性,分形维数分为初期迅速升维、短暂降维、中期升维和维数稳定4个阶段,裂隙率与裂隙面积均随开采指数增长,分形维数随导水裂隙带高度演化分为4个阶段:顶板初次下沉前的急剧增大,初次下沉后的短暂降低,裂隙发育时的缓慢增长和最后的稳定阶段。(4)通过模型试验获得了围岩-扰动充填体-稳定充填体组合体系(SRDSF)应力和位移的动态演化特征,底板应力随开采同步升高和降低,应力分布的混乱程度增加。竖向和横向应力超前影响距离分别为40 cm和35 cm。开采结束后顶底板下沉系数和隆起系数分别为0.1896和0.0084。顶板下沉曲线形态演化为左高右低“双峰”-左低右高“双峰”-“近平底”特征-右倾“平底”形态。顶底板最大位移随开采呈线性增长,位移传递系数ε演化分为传递滞后、加速传递、缓慢传递和稳定传递4个阶段。裂隙形态演化为前低后高的非对称驼峰状-前后基本持平的“梯形”-前高后低的非对称驼峰状-前后基本持平的梯形,分形维数演化为初期稳定、中期升维和保持稳定3个阶段。分形维数随导水裂隙带发育分为缓慢增长、明显增长和保持稳定3个阶段。SRDSF顶底板应力壳位置分别从48 cm和16.8 cm转移至68 cm和28 cm,应力壳不会因煤柱失稳而产生壳基失稳,可能在壳肩或壳顶产生破坏,煤柱及充填体保持稳定并传递载荷。SRSF和SRDSF的导水裂隙带高度分别为9.25 m和20 m(原型尺寸),裂采比分别为2.10和2.27。(5)建立了SRSF和SRDSF的应力和位移时空立方体可视化模型,多角度直观展示了应力和位移的时空分布特征,SRDSF应力和位移的不均一性增强,充填体吸收和转移荷载需要时间和空间的缓冲,使得位移在时间和空间上延伸。(6)提出了位移熵的概念,建立了基于信息熵和互信息的应力和位移关联程度和混乱状态对称KL-散度定量表征和度量框架,SRDSF应力与位移的关联程度及状态相对SRSF增强和更混乱,充填体与顶底板协调变形和演化,应力对位移起到主控作用;熵值热点表示组合体系状态更加混乱,SRDSF覆岩破坏高度从顶板28 cm向上部延伸至48 cm。获得了基于能量耗散的稳定性判据,以应力-位移的关联微积分方程作为系统能量演化的稳定性判据。(7)现场监测验证了SRSF和SRDSF组合体系应力和位移的动态演化,支柱压力和顶底板移近分别表征应力和位移演化,初次来压之后均未有明显的周期来压,支柱压力变化较小,减小了组合体系的应力集中现象;SRSF和SRDSF超前扰动范围分别为8 m和10 m,与前述试验结果吻合,充填体与顶板成为一个整体产生协同变形,减小了SRDSF的不均匀变形程度。该论文有图169幅,表26个,参考文献192篇。