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矿山复杂多层采空区稳定性综合分析及安全治理研究

吴启红  
【摘要】: 随着我国国民经济的快速发展,对自然资源的需求越来越大,尤其是矿产资源。虽然人们在矿产开采过程中获得了很大的经济效益,但由于不科学的开采或者民间掠夺式采矿而形成的复杂多层采空区群容易引发各种地质灾害。这引起了政府、企业的高度重视。因此,研究复杂多层采空区的稳定性以及安全治理措施是当务之急。 论文根据大量的实际调查、勘探、试验资料,通过综合分析采空区破坏模式、影响因素,运用多级模糊评判理论,建立单个采空区稳定性二级模糊综合评价模型,该模型包括3个层次、4类因素、16项因子。运用该模型将高峰105号矿体民采空区群稳定性分为稳定Ⅰ、较不稳定Ⅱ、不稳定Ⅲ。对于不同的采空区,应根据实际的稳定性分类,采用不同的合理的治理方式。 从岩石力学角度出发,利用有限元FLAC3D软件对所建立的高峰105号复杂采空区三维模型进行数值模拟分析。选取高峰105号矿体中相邻采空区顶板厚度小于30m和顶板跨度较大的复杂空区群作为研究对象,对复杂多层采空区的应力分布和塑性区(结构塑性强度破坏方面)以及采空区顶板中点位移监控(变形控制方面)进行了研究,并对矿体21个采空区进行稳定性分类。该稳定性分类结果与多级模糊分类相比较,仅在13号采空区的稳定性分类上存在较小差异。 综合应用突变理论及强度折减理论,建立了基于突变理论的强度折减法来分析多层采空区顶板稳定性,并提出多层采空区间顶板的剪切安全系数与拉裂安全系数的概念来研究复杂多层采空区的稳定性,得到了一些有益的结论: (1)对不同跨度、不同顶板厚度的双层采空区间的顶板稳定性:相同顶板跨度下,顶板厚度越大,剪切安全系数也越大;相同顶板厚度下,顶板跨度越大剪切安全系数越小,拉裂安全系数越小;而相同顶板跨度下,顶板厚度对拉裂安全系数的影响不象剪切安全系数一样具有强规律性。 (2)分析了双层采空区间顶板剪切安全系数和跨度、顶板厚度的关系,并对其相互关系采用对数函数进行拟合,提出具体的关系式。 (3)分析了跨厚比对采空区顶板剪切安全系数的影响,得到以下结论:随跨厚比ν的增加,顶板剪切安全系数增大。相同跨厚比下,跨度较大的顶板,剪切安全系数较少;跨度较小的顶板,剪切安全系数较大。 (4)以高峰105号矿体采空区为例,研究了复杂多层采空区稳定性和求解顶板安全系数,并以取剪切安全系数Fs=1.5为评价顶板稳定性的判断标准对复杂多层采空区进行稳定性分类,其结果与多级模糊评判和岩石力学稳定性分类基本一致,说明建立的基于突变理论的强度折减法来分析多层采空区顶板稳定性具有较高的精确性。 最后,本文详细系统的分析研究了现有的矿山采空区安全治理措施的优缺点及适用性。以高峰105号矿体采空区治理为例,详细的提出了采空区治理的思路及安全治理方案,并从残矿回采思路以及矿柱托换技术两方面研究了采空区残矿回采技术。


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