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房柱式采煤采空区塌陷冒落已成为威胁老矿区安全的重大地质灾害问题之一,制约着高速公路、现代化铁路、机场、水利水电、西气东输管道等重大基础工程及城镇建设规划。因此,开展房柱式采煤采空区稳定性研究,对老矿区基础设施建设、废弃土地利用及地质环境治理具有十分重要的现实意义。
本文以几个典型的房柱式采煤采空区为例,采用现场试验、理论分析及数值模拟等方法,系统探讨了采动岩体工程地质分类、采动岩体强度及变形预测、房柱式采煤采空区的破坏模式及其非线性动力失稳机制问题。依据传统岩体结构控制理论,结合采空区上覆采动岩体的工程地质特性,首次提出了“采动岩体结构”概念及采动岩体的工程分类方法,拓展了岩体结构理论的应用范围。将采动岩体结构特征与新广义岩体经验强度准则结合起来,提出了一套适合于采动岩体强度及变形参数预测的新方法。系统研究了房柱式采煤采空区稳定性的影响因素及失稳破坏模式,总结了“拱冒式”与“整体切冒式”两种失稳模式及主控条件。应用突变理论,研究了“整体切冒式”破坏的非线性动力失稳机制,提出了“顶板等效荷载”概念,建立了任意采矿边界条件下采空区失稳的数学判据与力学条件,成功地应用于榆神高速公路下伏煤矿采空区治理工程。
论文首次从工程岩体的角度研究了采动岩体的工程地质特性,研究了房柱式采煤采空区的破坏模式及稳定性性评价方法,为今后深入研究该类采空区的稳定性问题奠定了基础,对采空区上方进行工程建设具有一定的指导作用。