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充填开采作为一种绿色开采方法,可有效控制矿山开采引起的覆岩破坏和地表沉陷,具有回采率高和生态环保等优势,是实现“三下”压煤等遗煤资源安全高效开采的重要手段。然而,目前充填开采并没有被煤矿广泛推广,究其本质原因还是成本较高。充填原材料需求量巨大、材料输送工作量大、充填工艺复杂且效率较低是造成充填成本居高不下的主要原因。同时,大量充填材料占据着采空区,使煤矿面临地下空间被大量浪费的窘境与挑战。针对煤矿充填开采面临的这些问题与挑战,太原理工大学冯国瑞教授提出了结构充填开采的思想与理念,并进行了相应的研究攻关。结构充填开采通过因地制宜的“固废充填材料”、科学布设的“结构充填体”、成套研发的“结构充填工艺及装备”来适应“构造应力和采动应力”,并最大化地构建出“可利用的地下空间”。通过构建“充填体-直接顶”复合承载结构,最大程度地提高充填体的承载能力和发挥直接顶的自承载能力,降低充填开采成本,并为后期开发和利用煤矿地下空间提供便利条件,有效促进充填开采在煤矿领域中的进一步推广。鉴于此,本文对结构充填开采“充填体-直接顶”复合承载结构的稳定性进行了系统研究。通过室内力学实验分析了无侧限充填体和加筋充填柱的破坏特征和承载机理,为结构充填体力学参数的取值提供依据;构建了“充填体-直接顶”复合承载结构的力学模型,解析了条带结构充填和柱式结构充填的直接顶变形特征,得到了直接顶发生破断的临界充填间距;通过数值模拟试验分析了不同因素对“充填体-直接顶”复合承载结构稳定性的影响规律,确定了各因素的合理取值;通过相似模拟试验获得了结构充填开采过程中覆岩结构和采场应力的变化特征,验证了“充填体-直接顶”复合承载结构的承载效果。主要研究内容与结论如下:（1）开展了无侧限充填体标准尺寸（150mm×150mm×150mm）和大尺寸（800mm×800mm×800mm）立方体试件的单轴压缩实验,发现了无侧限充填体试件内部存在核心承载区。在单轴压缩过程中,核心承载区由弹性核区逐渐演化成塑性残余承载区。无侧限充填体表面的起始破坏应力约为单轴抗压强度的0.28倍,核心承载区的起始破坏应力约为单轴抗压强度的0.64倍。核心承载区的最大承载能力约为单轴抗压强度的2.00倍,残余承载力大于单轴抗压强度的0.80倍。试件内部不同位置的应力曲线和变形曲线可分为四个阶段:缓慢增长阶段、快速增长阶段、快速下降阶段和缓慢下降阶段,三个阶段转折点可分别作为试件的破坏前兆点、临界失稳点和残余承载/变形起始点。（2）开展了800mm×800mm×1600mm大尺寸加筋充填柱的单轴压缩实验,通过与无筋充填柱对比发现,环向钢筋限制了竖向裂隙的产生与扩展,提高了充填柱的抗剪强度,在试件内部形成了有效承载区。有效承载区的存在提高了加筋充填柱的抗压承载力和延性,有效地防止了充填柱的突然失稳。研究同时发现内部应力的差异是充填柱失稳的根本原因,内部变形的差异是充填柱失稳的直接原因,结构充填开采中充填柱的稳定性可以通过监测其内部应力和变形来判定。（3）建立了“充填条带-直接顶”复合承载结构温克尔弹性地基上的有限长梁力学模型,运用初始参数法解析得到了条带结构充填的直接顶变形方程。结合新阳矿工程地质条件,得到了当充填体强度为10MPa、充填率为51%时,直接顶发生破断时的临界充填间距为11.95m。通过FLAC3D数值模拟研究了充填间距、充填条带宽度和欠接顶量对“充填条带-直接顶”复合承载结构稳定性的影响,结果表明:当充填条带间距大于5m时,空顶区中心的直接顶发生拉伸破坏,充填条带的边缘发生剪切破坏;当充填条带宽度大于4m时,充填条带边缘发生应力集中,使充填条带顶角发生剪切破坏;当欠接顶量为200mm时,采空区边缘直接顶与上覆岩层产生离层;综合分析得到条带结构充填开采的合理充填间距为25m,充填条带的合理宽度在2m左右,欠接顶量应不大于150mm。通过相似模拟试验验证了:当充填条带宽度和间距均为2.5m时,条带结构充填开采覆岩结构稳定性良好,直接顶承载能力明显增强,形成了稳定的“充填条带-直接顶”复合承载结构。（4）建立了柱式结构充填“充填柱-直接顶”复合承载结构温克尔弹性地基上的中厚板力学模型,运用胡海昌理论分别解析得到了矩形中厚板模型和圆形中厚板模型的直接顶变形方程。结合新阳矿工程地质条件,得到了当充填体强度为20MPa、充填率为25.45%时,直接顶发生破断的临界充填间距为3.23m。通过FLAC3D数值模拟研究了充填间距、充填柱宽度和欠接顶量对“充填柱-直接顶”复合承载结构稳定性的影响,结果表明:当充填柱间距大于3m时,空顶区中心的直接顶会发生拉伸破坏,充填柱的边缘会发生剪切破坏;当充填柱宽度大于3m时,充填体边缘发生应力集中,使充填柱顶角发生剪切破坏;当欠接顶量为150mm时,采空区中部顶板和充填柱破坏严重,“充填柱-直接顶”复合承载结构失去稳定性;综合分析得到柱式结构充填的合理充填间距为13m,充填柱的合理宽度在2m左右,欠接顶量应不大于100mm。通过相似模拟试验验证了:当充填柱宽度和间距均为2.5m时,柱式结构充填开采覆岩结构稳定性良好,直接顶承载能力明显增强,形成了稳定的“充填柱-直接顶”复合承载结构。