中文摘要：

充填开采因为能够解决"三下"压煤、矸石排放和地表下沉等问题，正逐渐成为我国煤炭绿色开采的核心技术之一，其中长壁工作面矸石充填因其简单、高效而得到快速发展。由于采空区被矸石等材料充填，液压支架所处的力学状态与垮落法有所区别，形成了煤壁、覆岩、支架、采空区矸石等组成的新的力学系统；而且充填开采支架需要通过控制顶板下沉使更多的充填材料充进采空区，实现最大限度的减少地表下沉的目的，这不同于垮落法开采时，支架主要是平衡顶板压力的目的。因此，需要建立充填开采时的支架与围岩关系。本项目拟用现场实测、模拟实验、数值计算、理论分析相结合的方法，从需要控制的地表下沉量入手，分析直接顶冒落和老顶以及上覆岩层的移动规律，研究控制顶板不同位态时支架工作阻力与顶板下沉量之间的关系，建立长壁开采矸石充填支架与围岩关系模型，为更好的实施充填开采的矿压理论和支架载荷确定方面提供理论支持。

结论摘要：

为揭示长壁矸石充填开采支架与围岩关系、顶板载荷估算方法等，以郭二庄矿承压水上坚硬顶板下实施矸石充填为工程背景，通过实验设备研发、实验室试验、理论分析、数值模拟、现场测试和工业性试验，系统研究了充填体力学性质与级配试验、坚硬顶板矿压显现规律和上覆岩层移动特征、承压水上开采底板破坏深度、支架与围岩关系及支架载荷确定方法、改善充填效果的技术措施，并通过工业性试验，项目主要取得了如下创新性成果 1.通过级配实验、PFC数值计算、现场配比实验等，优化了矸石与粉煤灰最佳配比。矸石与粉煤灰实验室中比例为1:0.6时，充填材料压缩率小，压缩后强度高，接触力分布均匀，有较好的充填效果。 2.研制了“综采支架与围岩关系试验平台（发明专利号201110097533.2）”，该实验平台能够模拟长壁矸石充填开采液压支架不同工作阻力时，承压水上坚硬顶板长壁矸石充填开采矿压显现和覆岩移动规律、支架与围岩关系，获得了充填液压支架与充填效果的联系。 3. 研制了“一种可控模拟承压水加载与底板破坏关系的实验平台（发明专利申请号201210491050.5）”，该实验平台能够模拟高承压水坚硬顶板充填工作面，不同推进度时底板裂隙衍化规律；并改进了“一种充填开采相似模拟实验微观裂隙测试系统（实用新型专利号201220443955.0）”模拟出承压水上坚硬顶板条件长壁矸石充填开采底板破坏位置和破坏深度。 4. 在模拟实验、数值计算、现场实测基础之上，建立了长壁矸石充填开采支架与围岩关系力学模型，明确了充填开采液压支架要有效控制顶板的下沉量，保证更多的充填料充填采空区，实现控制坚硬顶板的大面积来压形成的冲击；确定了长壁充填开采顶板载荷限定变形估算方法，为液压支架选型奠定基础。 通过对“长壁开采矸石充填工作面支架与围岩关系研究”项目的研究，开发和研制了先进的模拟实验设备、建立了支架与围岩关系和底板破坏深度的计算模型、实测了工作面矿压显现和覆岩移动规律，为在类似条件矿井实施充填开采积累了宝贵经验，经济效益和社会效益显著。