开采扰动下近地表溶洞塌陷机理及防治研究

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1、密级：公开中图分类号：TD325硕士学位论文开采扰动下近地表溶洞塌陷机理及防治研究研究生：黄友金导师：朱川曲教授学科：矿业工程研究方向：岩石力学与岩层控制2018年6月AThesisSubmittedfortheDegreeofMasterStudyoncollapsemechanismsandpreventionofnear-surfacekarstcaveunderminingdisturbanceCandidate：You-jinHUANGSupervisorandRank：Prof.Chuanqu-ZHU开采扰动下近地表溶洞塌陷机理及防治研究学位类型学术型学位作者姓名黄友金作者学号15

2、010101003学科（专业学位类别)矿业工程研究方向（专业领域)岩石力学与岩层控制导师姓名及职称朱川曲教授实践导师姓名及职称所在学院资源环境与安全工程学院论文提交日期2018年6月学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门

3、或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权湖南科技大学可以将本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和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期：年月日导师签名：日期：年月日摘要我国南方岩溶煤矿分布广泛，岩溶塌陷造成的危害越来越严重。而关于开采扰动下近地表溶洞塌陷机理方面的研究较少。本文依托国家自然科学基金《基于浅表水环境保护的南方岩溶煤矿开采基础理论研究》，以江西坪湖矿的塌陷情况为研究对象，收集矿上资料，查阅相关文献。通过相似模拟、数值模拟、理论分析及工程实践相结合的方法，对开采扰动下近地表溶洞塌陷机理进行了深入

4、地研究和讨论，并总结出相应的防治措施，在工程实践中运用条带开采的方式取得良好的效果。本文主要的工作及结论如下：（1）通过相似模拟试验来分析煤层开采过程中对近地表溶洞的影响情况，并对比有无溶洞时的岩层移动规律。研究结果表明，在煤层开采过程中，地表会产生裂缝，溶洞的四周也会产生裂缝，当地表裂缝与溶洞顶板裂缝进行贯穿时，溶洞顶板很容易发生破坏。（2）采用数值模拟方法对开采溶洞下近地表溶洞的发育特征进行分析。研究结果表明，在覆盖层较薄时，开采扰动下近地表溶洞的塌陷过程为：溶洞的潜伏阶段、溶洞顶板垮落形成开口溶洞阶段、土洞不断发育阶段、地表塌陷阶段。在覆盖层较厚时，开采扰动下近地表溶洞的塌陷过程为：溶洞

5、的潜伏阶段、溶洞顶板垮落形成开口溶洞阶段、土洞不断发育阶段。通过对溶洞周围进行应力监测，得到了溶洞顶板破坏即开口溶洞形成的原因是由于水平应力的急剧减少造成的。（3）通过相似模拟以及数值模拟结果对近地表溶洞在开采扰动下塌陷的过程分析，得到溶洞塌陷造成地表塌陷的条件为覆盖层的厚度小于土洞的极限发育高度和地表裂缝发育的极限深度之和。（4）利用弹性力学对圆形以及椭圆形溶洞的受力进行分析，得到其受力状态的计算公式，并运用摩尔-库伦强度准则，得到开口溶洞形成的判定方法。（5）运用普氏拱理论对极限土洞尺寸进行分析，得到了土洞平衡的极限高度公式。结果表明，当开口溶洞形成以后，形成极限平衡土洞的高度主要与上覆土

6、体的荷载N、拱脚水平应力σA、土体普氏系数f以及开口溶洞的跨度a有关。（6）运用土力学的知识，分析了土层的破坏机理，得到了在采动影响下关于地裂缝发育深度的公式，结果表明，地表裂缝的发育深度除与土层的本身性质有关以外，还与地表的水平变形有关。关键词：岩溶塌陷；相似模拟；数值模拟；防治措施iAbstractKarstcoalminesinthesouthofChinaarewidelydistributed,andthedamagecausedbykarstcollapseisbecomingincreasinglyserious.Yet,therearefewstudiesonthecollap

7、semechanismofthenearsurfacekarstcaveundertheminingdisturbance.ThispaperissupportedbytheNationalNaturalScienceFund,"ResearchonthebasictheoryoftheminingofkarstcoalmineinthesouthofChinabasedontheshalloww