浅埋房采采空区稳定性分析及安全评价系统

摘要

房式开采曾在我国煤炭开采中占有相当大的比例，尤其是在陕北、内蒙等地区在历史上形成了大面积的浅埋房采采空区。随着时间的推移，遗留在井下的部分煤柱自然风化、蠕变、破裂，往往导致煤柱失稳破坏，并波及相邻煤柱，最终使整个采空区系统发生失稳灾变，造成采空区大面积塌陷，产生飓风对井下工作人员及开采设备设施造成威胁，甚至引发矿震灾害。因此，研究浅埋房采采空区失稳机理，开发房采采空区安全评价系统，对于业已存在的大面积采空区失稳灾变的预防和治理具有重要的意义。
　　本文以榆林某煤矿为工程背景，通过调研、实验、理论分析、数值模拟以及现场勘探等方法，对浅埋房采采空区的稳定性及安全评价系统进行了研究，着重查明短时期内可能会被触发的房采采空区潜在危险源并进行相应治理。论文主要研究内容及取得的成果如下:
　　(1)总结了浅埋房采采空区工程地质特征，将榆林地区房采采空区上覆地层结构分为三种类型:厚表土层薄基岩型、薄表土层厚基岩型、厚表土层厚基岩型。本文主要对分布范围广、危害性最大的第一类进行重点研究;采用EH4大地电磁法探明了采空区内积水区、自燃发火区以及顶板垮落区等的分布情况;通过室内试验确定了研究区域内煤岩体的物理力学参数。
　　(2)以危险源辨识与控制理论为指导，分析了房采采空区危险源及其构成要素，并对危险源分布进行了分类;以对房采采空区煤柱及采空区稳定性的影响因素分析为基础，利用灰色关联分析法，确定了煤柱状态、采空区面积、覆岩结构、采动扰动、采留比、积水情况、自燃情况、开采高度、顶底板强度和遗留时间十个房采采空区失稳的主控因素。
　　(3)以对煤柱承载特性及煤柱强度的分析为基础，研究了煤柱稳定性;构建了“顶板—煤柱—底板”系统的突变失稳力学模型，分析得到了系统发生突变失稳的条件;利用数值模拟方法，对榆林地区现存房采采空区内煤柱的当前状态进行分析，获得了煤柱应变及塑性区分布变化规律，判断了其稳定程度。
　　(4)分析了房采采空区项板大面积垮落的两种基本形式:切冒型和拱冒型;对厚表土层薄基岩地层结构下顶板垮落步距及极限悬项面积进行了分析，基于弹性薄板理论建立了大面积房采采空区失稳力学模型，得到了房采采空区薄基岩层顶板的失稳力学判据，并得到了不同基岩层厚度下采空区极限悬顶面积的变化规律;通过数值模拟分析，获得了不同弱化区长宽比条件下采空区极限垮落步距的变化规律。
　　(5)利用通过灰色关联分析法选取的大面积房采采空区稳定性影响主控因素，建立了基于支持向量机的安全评价模型并进行了样本训练和验证，样本验证结果表明该评价模型具有可靠性，在此基础上开发了安全评价系统。
　　(6)以研究煤矿具体地质资料为基础，结合对房采采空区现状的勘探、力学及数值计算以及安全评价的结果，设计确定了研究范围内危险区域的治理方案，实施效果较为满意。
　　本文研究成果，为浅埋房采采空区的治理提供了理论依据和评价手段，对保证矿山安全、矿区可持续发展及保证整个地区的生态环境安全具有重要意义。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状及存在问题

1．3 主要研究内容及技术路线

2 浅埋房采采空区工程地质特征

2．1 浅埋房采采空区地层结构特征

2．2 房采采空区现状勘察

2．3 煤岩物理力学性能测试

2．4 本章小结

3 房采采空区危险源及失稳影响因素分析

3．1 房采采空区危险源分析

3．2 房采采空区煤柱稳定性影响因素

3．3 房采采空区稳定性影响因素

3．4 主控指标选取

3．5 本章小结

4 房采采空区残留煤柱稳定性研究

4．1 一般力学特性研究

4．2 煤柱突变失稳理论分析

4．3 煤柱稳定性数值模拟分析

4．4 本章小结

5 大面积房采采空区稳定性分析

5．1 大面积房采采空区失稳基本形式

5．2 大面积采空区稳定性力学分析

5．3 大面积采空区失稳数值模拟

5．4 本章小结

6 大面积房采采空区安全评价系统

6．1 评价方法

6．2 房采采空区评价模型

6．3 采空区安全评价系统

6．4 本章小结

7 大面积房采采空区治理

7．1 采空区治理方案选取

7．2 采空区注浆隔离治理工程

7．3 治理工程施工工艺

7．4 治理效果

8 主要结论与展望

8．1 主要研究结论

8．2 主要创新点

8．3 展望

致谢

攻读博士学位期间主要成果

参考文献