软硬岩互层采场顶板稳定性研究

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采空区的顶板稳定是矿山安全生产的重要前提,当地下开采的采场顶板岩体是强度不同的软硬岩互层体构成时,由顶板变形破坏引起的采空区失稳等问题是矿山安全开采的关键,运用理论分析、数值计算等方法研究了软硬岩互层顶板在开采中的应力位移变化规律,以此分析顶板稳定性。层状岩层的采场顶板可分为硬岩、软岩、软岩夹层体、硬岩夹层体、软硬岩互层体等五种类型;选取软硬岩互层体采场顶板作为研究对象,其顶板的特征为强度不同的软岩和硬岩相互交错,且软硬岩层间或形成一定的角度。基于Reissner厚板理论,将软硬岩互层采场顶板简化成三维应变厚板,建立了采场顶板力学分析模型;结合弹性力学板理论和材料力学弯曲力学相关知识,得到了在固支和简支条件下采场顶板的挠曲线方程,从而求出了顶板内部最大位移及应力解析式;即建立了顶板最大位移和最大应力与顶板上部荷载、岩体弹性模量、泊松比、顶板厚度、顶板开采尺寸等主要因素的相关方程。结合顶板最大位移和最大应力解析式,利用Matlab软件绘制了顶板最大位移以及最大应力随着顶板长度和宽度、顶板长度和厚度等两两因素结合相互变化的三维曲线图,从曲线图可以得到顶板的最大位移以及应力和单一因素的影响关系,以及两两因素交互作用对顶板最大位移和应力的共同影响作用。以江西某钒矿典型软硬岩开采区域地质条件为背景,构建软硬岩互层岩层FLAC3D数值模拟模型,设计了3大类开采方案,通过对岩层的模拟开挖,得到了岩体在不同的开采厚度、开采尺寸、埋深下的顶板的应力位移变化规律;研究结果显示顶板的开采尺寸,顶板的厚度以及岩体埋深对厚板的稳定性有重要影响,其影响关系与其相关性影响同第四章得到的结论一致相同,从而验证了Reissner厚板理论的可行性。
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