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基于关键层理论的采空区残余沉降研究及工程实例分析

潘太成  
【摘要】:我国对煤矿的开采呈现逐年递增的趋势,但由于开采技术及管理的不成熟,煤矿开采引起了诸多问题,主要有两类:第一类是因煤层开采引起的地表沉陷问题;第二类是已趋于稳定的老采空区因其上新建工程引起的地表残余沉降问题。截至目前,国内外学者针对第一类问题进行了大量研究,形成了以概率积分法为中心的多种地表沉陷预计方法,运用较为成熟;但针对第二类问题,国内外学者提出的一些计算理论及方法适用范围较为狭窄,目前还没有形成较为成熟的方法,因此对老采空区因“活化”引起的地表残余沉降问题需要进一步的研究。 基于以上背景,本文总结已有的研究成果,结合开滦范各庄煤矿采空区上新建尾矿库工程,重点对采空区的地表残余沉降问题进行研究。首先,分析采空区因其上新建工程引起“活化”进而引起地表残余沉降的机理,建立关键层控制下的地表残余沉降预计模型,结合弹性地基梁理论,推导了地表残余沉降预计公式;然后,结合开滦范各庄煤矿采空区上新建尾矿库工程的具体情况,选取新建尾矿库下受重复采动影响的采空区为重点研究区,根据重点研究区的现场变形观测,采集观测数据并进行分析。最后,将概率积分法及本文提出的地表残余沉降预计方法应用于新建尾矿库工程的重点研究区,分别对因煤层开采引起的地表沉降及地表残余沉降进行预计,将二者结合与现场沉降观测数据进行对比分析,验证本文方法的可行性。 通过研究,得到结论:对具有厚硬单一关键层结构的采空区进行残余沉降分析时,可以引入岩层控制的关键层理论,将残余沉降问题转化为关键层在上覆荷载作用下的变形问题,使得问题简化;采空区最大残余沉降发生在采空区中心位置,沉降最大值与关键层下覆岩层的岩性、关键层厚度、关键层完整程度等因素成反比,与上覆荷载成正比;通过对开滦范各庄煤矿采空区上新建尾矿库工程的分析计算,计算结果与现场试验结果吻合性较好,验证本文方法可行。


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