郭家湾煤矿浅埋房柱式采空区露天剥离顶板安全厚度研究

摘要

神府郭家湾煤矿整合前由多个民营企业开采，由于早期采煤方式的落后，矿区内遗留下了大量浅埋房柱式采空区，这些采空区的存在严重影响着矿区的健康发展。为了彻底解决采空区隐患积极响应国家和当地政府的环境政策、有效利用残留煤炭资源，矿方商榷后决定利用采空区露天剥离技术治理。随着露天剥离作业的进行以及机械设备的不断碾压，采空区顶板岩体经常由于强度不足而产生不同程度的变形和破坏，当这些变形破坏延伸到一定范围时便极有可能引发上覆岩层冒落、塌陷，这对露天作业人员与设备的安全而言是极大的威胁，因此，时常需要定量地确定顶板安全厚度，这对采空区露天剥离治理技术有非常重要的现实意义。 收集郭家湾煤矿详细地质资料，通过资料分析和踏勘咨询了解区内房柱式采空区的跨度、深度等空间特征；分析房柱式采空区顶板稳定性，运用不同理论分析方法对比研究顶板安全厚度；利用FLAC3D软件建立合理数学地质模型进行采空区顶板安全厚度模拟研究，最终得出郭家湾煤矿浅埋房柱式露天剥离项板合理的安全厚度，全文主要研究成果如下： (1)总结了房柱式采空区顶板稳定性影响因素，将其分为四大类，地质因素、开采因素、外界因素、时间因素。 (2)阐述了采空区项板主要破坏模式并以此为基础对顶板破坏机理进行了详细分析，分析结果表明近水平、缓倾角采空区顶板破坏主要为张拉破坏，急倾角采空区顶板破坏主要为剪切破坏。 (3)运用三种理论分析方法对比研究了露天剥离过程中采空区顶板稳定性，并得出了顶板安全厚度推荐值，空区跨度6m其顶板安全厚度9.2m，跨度7m厚度10.2m;跨度8m厚度为11.2m;跨度9m厚度为12.2m;跨度lOm厚度为13.2m。 (4)基于FLAC3D软件，以拉应力作为项板破坏标准，建立空区模型进行剥离模拟研究，结果表明6m跨度空区的顶板安全厚度为6m;7m跨度空区的顶板安全厚度为8m;8m跨度空区的顶板安全厚度为10.5m;9m跨度空区的顶板安全厚度为12.5m;l0m跨度空区的顶板安全厚度为15m。 上述的研究不仅对郭家湾煤矿采空区隐患综合治理和矿山安全生产有重要的应用价值，还会对相似矿山的房柱式采空区露天剥离治理提供了非常重要的理论依据和借鉴价值。

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1 绪论

1.1 研究背景和意义

1.2 研究现状

1.2.1 采空区稳定性研究现状

1.2.2 采空区顶板安全厚度研究现状

1.3 主要研究内容

1.4 研究方法及技术路线

1.4.1 研究方法

1.4.2 技术路线

2 郭家湾煤矿开采技术条件

2.1 自然地理条件

2.1.1 交通位置

2.1.2 地形地貌

2.1.3 气象

2.1.4 水文

2.1.5 地震

2.2 工程地质条件

2.2.1 矿区构造

2.2.2 矿区地层

2.2.3 煤层

2.2.4 水文地质条件

2.2.5 岩石力学性质

2.3 采空区概况

2.4 本章小结

3 房柱式采空区顶板稳定性分析

3.1 采空区顶板稳定性影响因素

3.1.1地质因素

3.1.2 开采因素

3.1.3 外界条件

3.1.4 时间因素

3.2采空区顶板破坏模式

3.3 采空区顶板破坏机理分析

3.3.1 张拉破坏

3.3.2 剪切破坏

3.4 本章小结

4 露天剥离顶板安全厚度理论分析研究

4.1 理论分析参数的选取

4.2 工程经验法

4.2.1 厚跨比法

4.2.2 荷载传递线交汇法

4.3应力拱理论法

4.3.1 普氏拱估算法

4.3.2 K.B.鲁佩涅依特计算法

4.4 梁、板结构理论法

4.4.1 结构力学梁计算法

4.4.2 平板梁理论计算法

4.5 对比分析

4.6 本章小结

5 基于FLAC3D的露天剥离顶板安全厚度数值模拟研究

5.1 有限差分软件FLAC3D简介

5.2 模型的建立

5.2.1 模型、准则的确定

5.2.2 模型边界条件

5.2.3 初始模型的确定

5.2.4 力学参数的确定

5.3 数值模型求解

5.3.1 6m跨度空区顶板安全厚度模拟

5.3.2 8m跨度空区顶板安全厚度模拟

5.3.3 10m跨度空区顶板安全厚度模拟

5.4顶板安全厚度的确定

5.5 本章小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

致 谢

参考文献

附录