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摘要
西部矿区浅埋煤层遗留大面积房式采空区,煤柱作为采空区内唯一的承载系统,其稳定性决定了整个采空区的稳定性,从而影响着下组煤层的安全开采。为了研究浅埋房式采空区煤柱破坏失稳演化规律,采用元胞自动机理论建立了浅埋房式采空区煤柱8Moore元胞自动机模型,并结合围压对煤岩单元储能极限的影响将煤柱元胞分为4个等级,以此定义了煤柱二维元胞模型储能极限分布规律,从各元胞间能量传递的角度分析了房式煤柱破坏失稳的演化规律;以石圪台煤矿3-1-1号煤层房式采空区煤柱为工程背景,通过数值模拟及现场揭露试验对提出的理论模型进行验证。研究结果表明:(1)煤柱的破坏失稳有2种演化模式,Ⅰ型演化模式下煤柱的弹性核区特征近似呈矩形,而Ⅱ型演化模式下煤柱的弹性核区近似呈四周凸起的多边形。(2)Ⅱ型演化模式中由于"等效元胞"的存在,其整体元胞储能极限高于Ⅰ型演化模式,在同样演化规则及外部施加相同广义能量的条件下,Ⅱ型演化模式的稳定性相对较好。(3)数值模拟结果表明,石圪台煤矿3-1-1号煤层房式采空区煤柱破坏演化规律与元胞模型Ⅱ型演化特征一致,计算平衡后的弹性核区形态特征也呈四周凸起的多边形。(4)现场揭露试验表明煤柱水平截面弹性核区形态特征与Ⅱ型演化结果一致,验证了房式煤柱元胞演化模型的正确性。
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