郭家湾煤矿采空区煤柱顶板结构稳定性研究.pdf

l I I IIl lI I I II II II II I 1 1 1 Y 3 4 6 9 6 3 3 硕士学位论文 瓤家湾煤破．采窒．区煤挂。顶扳结．构稳定。 眭豫究 S t u I C l V0 1r o o tS t r u c t U r eS t a b l l i t yl n9 0 a to t f 1l‘●●1-1‘●1’n 鱼帅j i 烈照a n ．旦0 - 猷⋯m ⋯i n ．e 作者姓名宋凯 指导教师张向东 学科专业岩土工程 二。一七年六月 万方数据 分类号TD323 U D C624 学校代码 10 14 7 密级公开 硕士学位论文 郭家湾煤矿采空区煤柱顶板结构稳定性 研究 G o a fc o a lc a p i t a l sp l a t es t r u c t u r es t a b i l i t yo fc o a lm i n e ，1 ‘o b U 0 l l a W a n 作者姓名宋凯 指导教师张向东 申请学位工学硕士 学科专业岩土工程 研究方向环境岩土工程 辽宁工程技术大学 万方数据 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者及指导教师完全了解辽宝工捏技本太堂有关保留、 使用学位论文的规定，同意辽宝工程技丕太堂保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，学校可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存、汇编本学位论文。 保密的学位论文在解密后应遵守此协议。 学位论文作者签名名I j 坐一 肋／7 年．6 月f Ⅳ日 导师签名 州7 年 万方数据 致谢 本文是在导师张向东老师的悉心指导下完成的。在我读硕士期间，导师张向东 对我的悉心关怀和严格要求使我终生难忘。我所取得的每一点进步，所获取的每一 个新知识都无不凝结张向东老师的心血和关怀。张向东老师以其渊博的知识、严谨 的治学态度以及宽厚谦逊的为人，给我留下了深刻的印象，使我深受启发和感动。 在这几年里无论从学习上还是工作上都得到了导师的无尽的帮助，令我受益终生。 此刻，谨向我的恩师张向东致以最崇高的敬意 在撰写论文期间，同时也得到了土木与交通学院各位专家、老师的指导和帮助， 在此向各位专家、老师表示深深的感谢 万方数据 摘要 以陕西省郭家湾煤矿采空区为研究对象，结合现场勘察，综合采用理论分析、数值模 拟和室内试验等手段，从煤柱顶板结构稳定性角度出发对采空区稳定性展开进一步研究。 建立了长壁煤柱群一顶板结构力学模型，基于重整化群理论得出了煤柱群一顶板临界失稳 概率，并采用数值模拟手段对多因素影响下采空区稳定性进行了研究。研究结果表明 1 以力法为基础，对未知约束改为支撑力F 进行分析，通过研究F 变化情况下其 他煤柱支撑力的变化规律，获得了局部煤柱承载力衰减直至失稳对煤柱群一项板整体系统 稳定性的影响规律。 2 随着局部煤柱承载力降低，荷载将逐渐转移到临近煤柱之上，相隔煤柱受到的 影响较小，若相邻煤柱继续过载压溃，则荷载将进一步向外转移扩散，以至于影响煤柱群 一项板结构整体稳定性。 3 得到了采空区煤柱群临界概率在0 ．1 4 7 _ p 5 0 ．3 3 3 之间。煤柱失稳后荷载转移到相 邻煤柱过程中的损失程度，可以用荷载转移率口表示，煤柱群一顶板单元临界破坏概率P ‘ 随着荷载转移率口的增加而递减。 4 将矿车移动荷载与自重应力简化为正弦波叠加均布荷载，将采空区顶板简化为 弹性薄板，将煤柱简化为弹性体，建立了动静荷载耦合作用下采空区一煤柱一项板突变力 学模型。 5 煤柱材料力学参数影响分析中，各个煤柱竖向位移量随着弹性模量、内摩擦角 和粘聚力的增加而减小，随着泊松比的增加而增大。相同煤柱情况下，弹性模量和泊松比 对竖向位移影响较大，粘聚力和内摩擦角影响较小。 6 尺寸影响分析中，各个煤柱竖向位移量随着煤柱间距增加而增大，随着煤柱宽 度的增加而递减，尺寸因素影响下的煤柱竖向位移量明显大于煤柱材料力学参数影响下的 位移量。 关键词采空区；煤柱；顶板；理论分析；数值模拟 万方数据 A b s t r a c t I nG u o ji a w a nam i n e d o u ta r e ao f S h a n x iP r o v i n c ea st h er e s e a r c ho b j e c t ，c o m b i n i n go n - s i t e i n v e s t i g a t i o n ，ac o m b i n a t i o no ft h e o r e t i c a la n a l y s i s ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o nt o o l sa n dl a b o r a t o r y t e s t s ，e t c ．，f r o mc o a lc a p i t a l sb o a r ds t r u c t u r a ls t a b i l i t ys t a n d p o i n tm i n e da r e af o rf u r t h e rs t a b i l i t y t h e s t u d y ．T h e e s t a b l i s h m e n to fal o n g w a l lc o a l p i l l a rg r o u p - r o o f s t r u c t u r em e c h a n i c a l m o d e l ，b a s e do nt h er e n o r m a l i z a t i o ng r o u pt h e o r yo b t a i n e dp i l l a rg r o u p R o o fc r i t i c a li n s t a b i l i t y p r o b a b i l i t y ，a n dt h eu s eo fn u m e r i c a ls i m u l a t i o no fg o a fs t a b i l i t yu n d e rt h ei n f l u e n c eo fm u l t i p l e f a c t o r sw e r es t u d i e d ．R e s e a r c hi n d i c a t e s 1 B a s e do nt h el a wi nf o r c e ，t h eu n k n o w nc o n s t r a i n tt os u p p o r tf o r c eFw e r ea n a l y z e db y v a r i a t i o no ft h ec h a n g e su n d e rs t u d yFo t h e rp i l l a rs u p p o r t i n gf o r c e ，t h e ns t u d yu n t i lt h el o c a lc o a l C o l u m n sd e c a yi n s t a b i l i t yo fc o a lp i l l a rg r o u p r o o fo v e r a l ls y s t e ms t a b i l i t yo ft h el a w ． 2 W i t hl o c a lc o a lC o l u m n sr e d u c et h el o a d w i l lb eg r a d u a l l yt r a n s f e r r e do n t o a d ja c e n tp i l l a r ，s e p a r a t e db yas m a l lp i l l a ra f f e c t e d ，i fp i l l a ra d ja c e n tc o n t i n u ec r u s h i n g o v e r l o a d ，t h el o a dw i l ls h i f tf u r t h e ro u t w a r dd i f f u s i o n ，S Ot h a tE f f e c t o fc o a lp i l l a r g r o u p s t h eo v e r a l ls t a b i l i t yo ft h er o o fs t r u c t u r e ． 3 G e tt h ec r i t i c a lp r o b a b i l i t yp i l l a rg r o u pG o a fi nt h er a n g e0 ．1 4 7 p 木S O ．3 3 3 ． A f t e rt h ep i l l a rb u c k l i n gl o a di st r a n s f e r r e dt ot h ee x t e n to fl o s s e sd u r i n gp i l l a ra d ja c e n t l o a dt r a n s f e rr a t ec a nb ee x p r e s s e d ，P i l l a rG r o u p - r o o fu n i tc r i t i c a lf a i l u r ep r o b a b i l i t yP 半 W i t hi n c r e a s i n gl o a da n dd e c r e a s i n gt h et r a n s f e rr a t e ． 4 I no r d e rt oa n a l y z et h eg o a fs a f e t ya n ds t a b i l i t yu n d e rt h ei n f l u e n c eo fd y n a m i c d i s t u r b a n c e ，t h eg o a fr o o fp i l l a rm e c h a n i c a lm o d e li sb u l i tu n d e rt h ea c t i o no ft r a f f i c l o a d sa n dg r a v i t ys t r e s st a k i n gg o a fa sr e s e a r c ho b je c tb a s e do nt h et h e o r yo fe l a s t i c p l a t e ． 5 P i l l a rm a t e r i a lm e c h a n i c a lp a r a m e t e r si m p a c ta n a l y s i s ，e a c hp i l l a rw i t ht h e v e r t i c a ld i s p l a c e m e n to ft h ee l a s t i cm o d u l u sa n di n t e r n a l f r i c t i o na n dc o h e s i o na n g l e i n c r e a s e sa n dd e c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s eo fP o i s s o n ’Sr a t i oi n c r e a s e s ．U n d e rt h es a m e p i l l a r ，t h ee l a s t i cm o d u l u sa n dP o i s s o n ’Sr a t i oo nt h ev e r t i c a ld i s p l a c e m e n tl a r g e r ，l e s s c o h e s i o na n di n t e r n a lf r i c t i o na n g l eo fi m p a c t ． 6 S i z eo fi m p a c ta n a l y s i s ，t h ea m o u n to fv e r t i c a ld i s p l a c e m e n to fe a c hp i l l a rP i l l a r s p a c i n gi n c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s e ，w i t ht h ei n c r e a s eo fc o a lp i l l a rw i d t ha n dd e c r e a s i n g t h ea m o u n to fv e r t i c a ld i s p l a c e m e n tp i l l a ri n f l u e n c es i g n i f i c a n t l yg r e a t e rt h a nt h es i z e 万方数据 f a c t o ru n d e rP i l l a rm a t e r i a lm e c h a n i c a lp a r a m e t e r su n d e rt h ei n f l u e n c eo ft h ea m o u n to f d i s p l a c e m e n t ． K e yW o r d s g o a f p i l l a r r o o f ；t h e o r e t i c a la n a l y s i s ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 万方数据 目录 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．I A b s t r a c t ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．I I 1 绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．1 国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 ．2 研究存在的问题及意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 1 ．2 ．1 研究存在的问题⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 1 ．2 ．2 论文研究意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 1 ．3 论文研究内容及技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 1 ．3 ．1研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 1 ．3 ．2 技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 2 工程概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 2 ．1 地表勘察⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 2 ．2 矿区区域地质⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一7 2 ．2 ．1 矿区地质条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 2 ．2 ．2 煤层开采概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 2 ．2 ．3矿区水文地质⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 2 ．3 矿区岩石物理力学性质⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 4 2 ．3 ．1 块体密度试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 5 2 ．3 ．2吸水性试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 6 2 ．3 ．3 单轴压缩试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 7 3采空区煤柱系统理论分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一2 0 3 ．1 采空区稳定性常用方法简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一2 0 3 ．1 ．1 弹性力学法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 0 3 ．1 ．2 规范分析法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 2 3 ．1 ．3工程类比法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 3 3 ．1 ．4 半理论半经验法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 3 3 ．2 采空区煤柱群荷载转移规律分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 6 3 ．2 ．1 长壁煤柱系统力学模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 6 万方数据 3 ．2 ．2煤柱荷载转移规律研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 8 3 ．3采空区煤柱系统三维模型理论分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 9 3 ．3 ．1 重整化群理论在煤柱群失稳研究中的适用性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 9 3 ．3 ．2 采空区煤柱群失稳临界条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 l 3 ．4本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 5 4 郭家湾煤矿采空区稳定性研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 6 4 ．1 荷载转移规律力学分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 6 4 ．2 采空区煤柱临界概率分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 7 4 ．3 采空区煤柱一顶板体系动力学模型的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 8 4 ．4本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 0 5煤柱顶板系统稳定性影响因素数值模拟分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 5 ．1 有限元方法及A D I N A 软件介绍⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 5 ．1 ．1有限元方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 5 ．1 ．2 A D I N A 软件介绍⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 l 5 ．2 数值模拟与监测对比分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一4 2 5 ．2 ．1 模型的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 2 5 ．2 ．2 模拟结果与监测值对比分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 2 5 ．3 荷载转移规律数值模拟分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 4 5 ．4煤柱材料力学参数影响分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 6 5 ．4 ．1煤柱弹性模量影响分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 7 5 ．4 ．2 煤柱泊松比影响分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 9 5 ．4 ．3煤柱内摩擦角分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 0 5 ．5 尺寸效应分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 3 5 ．5 ．1煤柱间距尺寸影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 3 5 ．5 ．2煤柱自身尺寸影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 4 5 ．6 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 6 6结论及展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 7 6 ．1结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 7 6 ．2 展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 7 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 9 万方数据 作者简历⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 2 学位论文原创性声明⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 3 学位论文数据集⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 4 万方数据 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1绪论 1 ．1 国内外研究现状 煤矿采空区塌陷灾害是一个世界性难题，但凡进行煤炭开采的企业，都会由于采空塌 陷这一煤矿特有的生产破坏形式，从而带来一系列的社会、经济和环境问题，造成人与自 然的不和谐，严重制约了国民经济的健康、稳定发展，是煤矿绿色开采中重点关注的问题 之一。作为地下工程开挖与矿山开采的连带效应一地表沉陷，其研究已有较长的历史。早 在1 5 世纪，比利时曾颁布一项法令在列日城下进行矿业开采时，开采深度不得小于1 0 0 m 。 1 8 5 8 年，以观测资料为基础，比利时人G o n o t 提出了“法线理论”；1 8 8 5 年，法国人F a y o l 利用模型研究，提出了采空区稳定性的“拱形理论”；1 8 8 5 ～1 8 9 7 年，H a n s s e 建立了采空 区上方有三带分布的沉陷模式。1 9 世纪末，欧洲工业大发展导致对有用矿产的需求大幅增 加，促使沉陷理论研究逐步深入，在研究各种沉陷分布与崩落角度的同时，也开始了地表 下沉与变形规律的研究。 据测算，以煤炭资源大省山西为例，新中国成立以来采煤造成的采空区面积近5 0 0 0 K m 2 约占全省国土面积的3 ％ ，其中沉陷区面积约3 0 0 0K m 2 占采空区面积的6 0 ％ ，受 灾人口约2 3 0 万人，在近1 0 年里，己造成5 0 0 多人伤亡。 由于采空区的各种受力条件比较复杂，为了更加准确的得到关于采空区的各种真实情 况，国内外利用各种力学模型对其进行了大量仔细的研究。尹光志等⋯以弹性理论为基础， 将上覆岩层假设为岩板，建立了上覆岩层变形的力学模型，研究上覆岩层的变形特征，得 到了采动覆岩的挠度方程和计算最大挠度点的理论公式。王金安等1 2 1 建立了采空区矿柱一 项板体系流变力学模型，得出在矿柱支撑下，采空区顶板受流变作用下的位移控制方程， 并对采空区顶板破坏的不同阶段进行了分析讨论。王树仁等【3 I 基于R e i s s n e r 厚板理论，在 考虑施工机械的动荷载作用的前提下，概化出采空区顶板的力学模型，推导出了在集中简 谐动荷载的作用下采空区顶板的挠度方程和内力表达式，得到了动荷载作用下顶板厚跨 比、动荷载振动频率变化时采空区顶板应力和挠度变化的规律。柳小波等1 4 1 基于四边固支 矩形薄板的纳维叶解法，得到了均布荷载与集中荷载作用下矩形顶板的挠度方程与应力表 达式，分析得到四边固支矩形板厚度、荷载大小、板的尺寸以及泊松比是影响应力的主要 因素，在均布荷载与集中荷载作用下板的中心以及长边的中点处是高应力出现的位置。祝 方才等1 5 1 根据R e i s s n e r 厚板理论，并考虑超载的作用，建立了轴对称圆板模型，控制条件 为拉破坏时，得到了顶板安全厚度的解析解。控制条件为剪切破坏，推导得到了在考虑剪 切导致的拉应力控制和剪应力控制的情况下计算顶板安全厚度的公式。江学良等【6 】视岩石 为理想的弹塑性介质，分析岩石本构关系对改进梁的影响时采用梁柱理论，将模型的受力 万方数据 辽宁工程技术大学硕士学位论文 状态简化为三种状态，即弹性状态、拉伸屈服或压缩屈服状态、拉压屈服并存状态，并根 据不同受力状态推导出了不同的广义弯矩一轴力一曲率关系。屠洪盛等【7 】根据急倾斜煤层 工作面项底板的地质条件及利用冒落矸石进行填充时工作面下部采空区的充填特征，利用 小挠度弹性薄板理论，建立了急倾斜工作面受力项板的力学模型，研究了顶板在上覆岩层 和下方充填矸石双重作用下项板的变形特征，推导出了计算急倾斜工作面下部采空区充填 带宽度的理论公式和项板变形的挠度方程。吴侃等[ 8 1 利用采动岩体的动态模型，研究了采 动引起的覆岩移动破坏的时空规律，分析了断裂带发育发展规律、岩体内部离层发生发展 规律、地表下沉等问题，并根据观测结果得出了更为符合实际的解释。孙小康等[ 9 1 以采空 区下回巷道变形破坏严重难以支护且具有明显非对称性特征这一实际现象为依据，运用理 论分析和数值模拟等方法，参照具体的工程实践，建立了区段煤柱力学模型，对煤柱支撑 压力作用下底板岩层分布规律进行了研究，为非对称变形巷道的支护提供了理论依据，对 非对称变形巷道围岩控制具有重要的现实和理论指导意义。张建等0 0 1 根据采空区上覆岩体 的地层和厚度分布的不同，以力学平衡方法为基础，采用不同的分析方法，提出了将采空 区上覆岩体的相对应的临界厚度作为评价指标，在被动侧向压力情况下的力学模型，以及 将抗滑安全系数作为评价指标，在主动侧向压力情况下的力学模型。这两种模型分别适用 于上覆岩层较厚和较薄的两种情况下的采空区稳定性评价。丁桂伶等【1 1 】借助于有限元分析 软件，建立了三维状态下的数值地质力学模型，计算并分析了采空区上方矸石一岩土混合 型边坡分别在在天然状态、饱和状态下的安全系数，同时计算了采空区上方房屋的沉降变 形，最终针对采空区上方矸石一岩土混合型边坡的稳定性以及滑坡危险性进行了预测评 估。朱建新等【1 2 1 利用三维激光探测仪进行探测，得到了空区的三维形态及分布状况，并以 此建立了空区的实际模型，再以此模型为基础，通过耦合技术用F l A C 3 D 进行数值分析，最 后将监测结果与数值模拟进行比对，综合两者对采空区稳定性进行分析与评价。武崇福等 [ 1 3 1 基于R e i s s n e r 厚板理论，采用加权余量法进行求解，概化得到了采空区顶板的力学模型。 将四边固定与四边铰接设置为边界条件，考虑受到的均布荷载作用，推导出了均布荷载作 用下岩溶及采空区顶板的挠度方程和内力表达式，揭示了在顶板厚跨比的变化的前提下， 均布荷载作用下顶板应力和挠度的变化规律，并结合实际工程，对挠度计算方法的合理与 准确性进行验证。 1 ．2 研究存在的问题及意义 1 ．2 ．1研究存在的问题 1 在采空区稳定性研究中，针对于煤柱与顶板系统稳定性研究较多，但绝大多数 都是针对个体煤柱与顶板相互作用，未考虑到多个煤柱与顶板相互作用影响规律； 万方数据 辽宁工程技术大学硕士学位论文 2 煤柱失稳过程中，荷载在煤柱与煤柱之间、煤柱与顶板之间的转移规律研究尚 不充分； 3 在多煤柱稳定性影响下，煤柱顶板系统影响因素分析没有进行系统研究，尤其 是确定出哪些因素为次要因素，哪些因素为主要敏感因素未见详细报道。 1 ．2 ．2 论文研究意义 煤炭资源为我国国民经济发展做出了巨大的贡献，但超常规、无序、粗放式开采，在 许多老能源地区已经形成了大面积、大规模的采空区。下伏采空区对地表建 构 筑物是 一个巨大的潜在威胁。目前，采空区稳定性研究主要以经验总结和工程实例介绍为主，由 于缺乏足够的理论支持，无论是采空区稳定性预测，还是后期治理预防采空区失稳所采取 的相应措施，在人力、物力及财力方面损耗巨大，工程可靠性差，甚至留下工程隐患。因 此，对采空区稳定性进一步展开研究非常有必要。 1 ．3论文研究内容及技术路线 1 ．3 ．1研究内容 本文针对陕西省郭家湾煤矿采空区为研究对象，从煤柱顶板结构角度对采空区稳定性 进一步展开研究。 1 针对陕西省郭家湾煤矿采空区进行现场调研，并进行现场勘察及取样，测试基 本材料力学参数； 2 将采空区多煤柱支撑结构简化为连续梁力学模型，依据结构力学力法原理，通 过进一步简化模型，求解个体煤柱承载力衰减过程中对临界煤柱承载力影响变化规律； 3 采用重整化群理论，对多煤柱～项板结构进行递推扩展，建立煤柱个体失稳概率 与多煤柱～项板结构整体失稳概率之间的关系； 4 通过有限元数值模拟，研究材料参数 包括弹性模量、粘聚力、内摩擦角和泊 松比 对采空区稳定性影响规律；通过有限元数值模拟，研究空间尺寸 包括煤柱尺寸和 煤柱间、排距等 对采空区稳定性的影响规律； 5 通过材料参数、煤柱尺寸和间排距等影响因素总体分析，对比分析各个影响因 素对采空区稳定性影响的敏感性。 万方数据 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 ．3 ．2技术路线 图1 ．1技术路线 F i g ．1 ．1 T e c h n i c a lr o u t e 4 万方数据 辽宁工程技术大学硕士学位论文 2 工程概况 2 ．1地表勘察 郭家湾煤矿位于陕西省境内，是府谷县县办的地方国有煤矿。矿井位于府谷县大昌汗 乡郭家湾，距府谷县城9 0 K m ，距大柳塔2 0K m ，交通便利。 忻州弗 太原 锚 謦中带。 图2 ．1工作区交通位置图 F i g ．2 ．1 T h ew o r k s p a c et r a f f i cl o c a t i o n 该区地处北温带大陆性季风气候，四季温差较大。根据气象台近期统计资料，市区年 平均气温7 ．1 ℃，最高气温3 6 ．5 。C ，最低气温．3 7 ．3 。C 。年平均降水量为7 5 5 ．7 m m ，丰水年 和枯水年相差约2 倍以上。年内降水主要多集中在6 - 9 月份，占全年降水量的7 0 ％- 8 0 ％。 其中7 ～8 月份为降水量最为集中的月份，占全年降水量的5 0 ％以上，降水量年季变化较大。 年平均蒸发量1 0 2 3 ．8 5 m m 。该地区标准冻土深度1 ．2 0 m 。地处低缓丘陵，地貌类型单一， 地形条件中等。标高在1 1 0 ．4 0 m ～1 2 8 ．5 m ，相对高差1 8 ．1 m 左右，如图2 ．2 所示。 万方数据 辽宁工程技术大学硕士学位论文 图2 ．2地形地貌l l F i g ．2 ．2T o p o g r a p h yI I 该区内地层岩性简单，基底由太古界混合花岗岩层组成，地表均由杂填土层所覆盖。 为了解该区第四系覆盖层下隐伏断裂构造发育情况，在该区内布设二条高密度电法勘 察线，图2 ．3 和图2 ．4 为电法勘察及视电阻率剖面图。结合区域地质资料与勘察、电法勘 察成果判断地质构造复杂程度简单，岩石沉积较为稳定，第四系覆盖层下未发现有断裂 构造存在，该区内断裂构造发育。随深度的增加，底部岩层电性逐渐向高阻值变化，趋势 平缓，其电性无异常变化，表现出基岩层的完整性。 _ _ _ [ ] 囹囹_ 圈口团圈_ I ■■ 3 D ．D4 9 ．98 311 3 82 3 03 8 46 3 9 电阻率单位为欧姆米 单位电极距 5 叩米 图2 ．3 1测线勘察结果 F i g ．2 ．3S u r v e yr e s u l t sIl i n e 0 D D 0 D 0 D 一 ∞ n n n n n 一 ． ， 9 8 7 6 5 万方数据 辽宁工程技术大学硕士学位论文 高程 14 0 1 3 D 12 口 11 0 1 0 口 9 0 ．口 8 00 O 5 01 1O _ ■■■■l 疆圜E 互] 臣圈区圈一匿_ [ 二] 匿圈匿圈■■一■●●■●一●■■ 3 9 ，56 0 ．69 3 ．11 4 32 2 03 3 7 5 1 8 电阻率单位为欧姆米单位电极距 5 ．0 0 米 图2 ．42 测线勘察结果 F i g ．2 ．4S u r v e yr e s u l t s2l i n e 据国家地震局2 0 0 1 年出版的第四代中国地震动峰值加速、地震动反应谱特征周期 区划图 1 ／4 0 0 万 及陕西省地震震中及地震烈度区划图，本区地震活动强度小， 为频率低的弱震区。该区位于峰值加速度为O ．1 0 9 分区范围内和反应谱特征周期为0 ．3 5 s 区域，基本烈度Ⅶ度。 2 ．2 矿区区域地质 2 ．2 ．1 矿区地质条件 图2 ．5矿区地形地貌特征 F i g ．2 ．5M i n i n ga r e al a n d f o r mc h a r a c t e r i s t i c s 据井田勘探资料及历年开采情况，井田地层总体走向上为倾向西北的单斜构造，地层 倾角为5 01 4 。，延伸长度2 3 0 0 m 。中南部有一褶皱构造，走向为北东一南西向，延伸长度 2 2 0 0 m 。井田内共有3 条正断层，断距5 m 左右，倾向均为西北，分别为 凡正断层位于井田的中部，断层的倾角为7 0 0 ，延伸长度为2 0 0 m 。 万方数据 辽宁工程技术大学硕士学位论文 R 正断层位于井田的东南部，断层的倾角为7 5 0 ，延伸长度为3 1 0 m 。 凡正断层位于井田的东南部，断层的倾角为8 0 0 ，延伸长度为2 0 0 m 。 综上所述本井田构造简单，按矿井地质条件分类原则定为I 类，对煤层开采影响不 大。井田内主要断层特征见表2 ．1 。 表2 ．1主要断层特征表 T a b ．2 ．1T h em a i nf a u l tf e a t u r e 2 ．2 ．2 煤层开采概况 1 煤层 井田内的主要含煤地层为石炭系，煤层总厚约8 ．7 5 m ，含煤系数8 ％，主要含煤1 0 层， 及8 l 、8 2 、9 上、9 、1 1 、1 2 、1 3 、1 3 ”1 4 、1 5 号煤层，其中1 5 号煤层为全区稳定可采 煤层，9 号煤层为较稳定大部分可采煤层，其余皆为不可采煤层。各煤层厚度及赋存层位 见表2 ．2 。 表2 ．2 煤层分布 T a b ．2 ．2D i s t r i b u t i o no fc o a ls e a m 区内可采煤层为9 号和1 5 号煤层，其特征分述如下 ①9 号煤 9 号煤层厚度O ．7 8 m ～1 ．1 5 m ，平均厚度0 ．9 7 m ，不含夹矸，厚度稳定，全井田大部分可 采，顶底板均为泥岩和砂质泥岩。 ②1 5 号煤层 1 5 号煤层为本矿采矿许可证批准可采的煤层，距9 号煤层5 5 m ～7 8 ．2 m ，平均6 6 ．9 m ， 煤层厚度4 ．5 0 m - 7 ．0 5 m ，平均厚5 ．1 4 m ，含l ～2 层夹矸，厚度稳定，全井田可采，煤层顶 万方数据 辽宁工程技术大学硕士学位论文 板有O ．3 m 厚的灰色粘土岩伪顶，随采随落，不易管理，直接项为1 6 ．2 5 m 厚的黑灰色泥岩， 老顶为5 ．6 m 厚的K 2 石灰岩，一般不易垮落，直接底板为厚5 ．6 1 m 的黄灰色泥岩，老底为 厚4 ．2 4 m 的石灰岩。2 0 世纪后期，我国许多3 0 万t ／a 以下的小煤矿多采用传统房柱式开采， 造成资源浪费和安全事故频发，后来又改为采用单体液压支柱全部垮落法进行长壁支撑开 采，该方法难以抵御厚松散覆盖层作用下的剧烈矿压，若采用高阻力液压支架进行长壁支 撑开采，成本又较高。在这样的背景下，长壁留煤柱支撑法开采应运而生⋯。开采所留设 的煤柱，能够有效控制上覆岩层移动破坏，进而保障采掘工作安全顺利的进行【2 嗡】。煤柱是 决定采空区稳定的重要结构单元，单一煤柱的失稳破坏将使其承担的载荷转移到邻近煤柱 上并进一步引起相邻煤柱过载【7 、8 】。煤柱个体完好程度以及煤柱群整体结构完整性是判断 采空区稳定的一个重要标志【9 1 。本文以郭家湾煤矿1 5 号煤层长壁留煤柱开采为工程背景， 研究长壁留煤柱采空区局部与整体系统安全稳定性，采用理论分析并结合数值模拟手段分 析局部煤柱承载力衰减直至失稳过程中荷载在煤柱群一顶板整体系统中的转移规律，以期 为现场煤柱群一顶板结构整体稳定性评价提供科学依据。 本井田区内以中低山一丘陵地貌形态为主，北西高而