1.1研究目的及意义

由于爆破、开挖作业后围岩应力状态发生变化，导致采空区极易产生破坏。一方面采空区的变形、破坏、坍塌威胁到井下作业的人员安全；另一方面会导致地表沉降，造成环境破坏与财产损失，难以治理。故对于采空区稳定性的分析具有十分重要的意义。

上横山矿区共圈定12个缓倾斜薄-中厚矿体，空间上呈错落分布。这导致矿石采出后的采空区为叠落采空区，应力分布状态较单层或多层（重叠）采空区更为复杂。而目前国内外对于采空区稳定性的研究主要集中在单层或多层采空区，而叠落采空区几乎未有涉及。

若能够分析出上横山矿区叠跨采空区的的稳定性特征及破坏形式，就能较为精准地提出保护建议，为安全生产提供保障，为同类型矿山生产提供指导。

1.2研究现状

采空区顶板作为采空区相对薄弱的部分^[1]，许多学者对于采空区顶板进行了大量研究，如池秀文等基于弹性理论将采空区顶板分别简成弹性薄板模型^[2]与简支梁模型^[3]，前者推导出挠度与应力方程，总结出应力分布规律与破断特征；后者推导出顶板最大拉应力与其上方岩层厚度之间的关系式，据此得顶板岩层与其相邻的矿层厚度比对顶板稳定性的影响。针对矿柱，左国义等利用FLAC3D分析模拟了某钨矿的采场矿柱稳定性^[4]。罗斌玉等在Mohr-Coulomb准则下提出倾斜矿柱稳定性的安全系数法也适用于上横山矿体开采时对于矿柱的指导设计。

而对于双层或多层采空区的稳定性，除岩石力学性质外，还与采空区厚跨比、隔离顶板厚度、矿柱重叠率、采空区倾角等因素相关。付建新等基于弹塑性理论将双层采空区简化为简支梁模型，分析了采空区重叠率对隔离顶柱稳定性的影响规律^[5]。秦文静等利用ANSYS模拟分析了不同矿柱重叠率下采空区的最佳安全隔层厚度及受力状态^[6]。

针对上横山矿的采矿方法，许多学者也提出了一些方案。如林坤峰根据上横山含钒页岩矿的赋存条件，提出大盘区机械化分层充填沿倾向后退式开采和盘区房柱法为较为合适的两种采矿方法^[7]。胡倩等提出缓倾斜多层矿床矿层倾角小于30°，岩石移动角一般大于矿层倾角，只能采用由上到下的开采顺序，一般采用房柱法、分层充填法、长壁式崩落法等^[8]。这些研究对于采空区稳定性具有普遍参考意义，但对于具有一定特殊性的多层叠跨采空区稳定性研究还有不足。

2、基本内容和技术方案

2.1基本内容

以江西省彭泽县上横山矿区上横山矿段钒矿为背景，采用现场调研、模型试验和数值模拟方法，根据多层叠跨采空区实际形态，建立上下空区矿柱、上空区顶柱的稳定性模型，推导上下空区矿柱和上空区顶柱的极限平衡方程，研究叠跨空区保护矿柱极限平衡应力状态和失稳模式；根据多层矿开采影响范围与叠跨空区的空间位置关系，研究已有叠跨空区对邻近待采矿体应力环境和结构特征的影响，揭示多扰次生应力作用下的叠跨空区围岩累积破坏机理。

2.2技术方案

针对上述研究内容，本课题拟采用理论推导和数值模拟相结合的研究方法，围绕含钒页岩多层叠跨采空区稳定性展开研究。

首先利用材料力学和弹塑性力学理论，在岩梁模型基础上，研究多层矿采场顶板的应力与上覆矿岩厚度比的定量关系；同时，简化五种开采工况采场顶板边界条件，即为简支、固支和自由三种边界条件，运用弹性薄板理论，在克希霍夫假设条件下，利用最小势能原理及里兹法，推导不同边界条件下的采场顶板弯曲挠度方程和应力状态方程，分析采用不同开采工况的采场顶板破断机理。

其次根据上横山钒矿赋存条件、采空区实际形态、采场围岩力学性质等建立叠跨采空区网格模型进行数值模拟。基于矿山地质剖面图，利用Surpac进行实体建模，再转化为网格模型导入FLAC3D中，根据岩石力学性质，对网格模型赋值。设置不同开采方案，在库伦摩尔准则下运算，最终得出应力、位移云图，并绘制相关曲线。分别分析采空区矿柱、顶板等的应力状态，结合两者研究采空区失稳模式。开采方案包括：

1）设置不同矿柱密度。首先不设矿柱进行模拟，再根据现象逐级增加矿柱数量，绘制衡量矿柱密度与采空区稳定性的曲线，得出最优矿柱密度。

2）设置不同的矿柱重叠率。在最佳矿柱密度的基础上设置不同的重叠率，绘制衡量重叠率与采空区稳定性的曲线，分析不同重叠率下采空区稳定性特征，揭示矿柱重叠率对采空区稳定性的影响机理。

3）设置不同隔离顶柱厚度。结合矿层间距、矿房留设高度等因素，以0.5米为一个单位设置不同隔离顶柱厚度进行模拟。绘制衡量隔离顶柱厚度与采空区稳定性的曲线，得出最优隔离顶柱厚度。

4）不同开采方向。设置由两侧向中间开采、由一侧向另一侧开采、由中部向两侧开采三种工况。比对不同开采方向时采空区的稳定性特征，得出最优开采方向。

最后结合理论推导与数值模拟结果，揭示上横山含钒页岩矿多层叠跨采空区围岩的破坏机理，并给出合理预防和治理方案。

3、进度安排

第1-3周：毕业实习，完成实习报告。

第4-5周：查阅与毕业设计（论文）相关文献资料，明确研究内容和目的，掌握研究所需基本理论知识，确定试验和计算方案，完成开题报告。

第6周：掌握矿区地质情况和矿床的赋存状况，建立多层叠跨采空区和矿柱模型。

第7-11周：研究叠跨空区保护矿柱极限平衡应力状态和失稳模式。

第12-14周：分析多层矿开采影响范围与叠跨空区的空间关系，研究多扰次生应力作用下的叠跨空区围岩累积破坏机理。

第15周：修改论文初稿，进行定稿，并提交指导老师、审阅老师。

第16周：整理并打印毕业设计。

第17周：准备答辩。

4、参考文献

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[2] 池秀文,刘敏,宋华,杨剑锋,林晓悦,王沛.多层矿采场顶板破断的弹性薄板机理研究[J].矿业研究与开发,2013,33(04):62-65.

[3] 池秀文,刘敏.基于梁模型的采场顶板稳定性分析[J].中国矿业,2012,21(08):113-115.

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[5] 付建新,宋卫东,谭玉叶.双层采空区重叠率对隔离顶柱稳定性影响分析及其力学模型[J].采矿与安全工程学报,2018,35(01):58-63.

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