不同结构面倾角及间距下煤柱变形分析.pdf

第44卷 第5期 2018年5月 工矿自动化 Industry and Mine Automation Vol. 44 No. 5 May 2018 文章编号671-251X 201805-0091-04 DOI 10. 13272/j. issn. 1671-251x. 2017120040 不 同 结 构 面 倾 角 及 间 距 下 煤 柱 变 形 分 析 宁杉， 吕嘉锟， 纪海玉， 张琰岽 山东科技大学矿业与安全工程学院，山 东 青 岛 266590 摘要针对目前的煤柱变形研究大都将煤柱处理为连续体，，没有考虑煤柱中广泛存在的结构面破坏及失 稳问题， 采 用 3DEC软件对不同结构面倾角及间距下煤柱最大主应力及变形量进行了数值模拟， 结果表明 煤柱最大主应力随结构面间距增大而增大， 随结构面倾角增大而减小； 随着结构面倾角的增大， 结构面间距 对煤柱最大主应力的影响越来越小； 煤柱变形量随结构面间距增大而逐渐减小， 随结构面倾角增大而增大； 当结构面间距小于1. 5 m， 结构面倾角大于45时， 煤柱变形量显著增大。 关键词 煤炭开采 煤柱变形 结构面倾角 结构面间距 最大主应力 中图分类号TD322 文献标志码A 网络出版地址Ettp //kns. cnki. net/kcms/detail/32. 1627. tp. 20180427. 0907. 002. html Coal pillar deation analysis under different inclinations and spaces of structural plane NING Shan, LYU Jiakun, JIHaiyu， ZHANG Yandong College of Mining and Safety Engineering, Shandong University of Science and Technology， Qingdao 266590, China Abstract For problem that coal pillar is treated as a continuum in most of the coal pillar deation studies without considering structural plane damage and instability in coal pillar, numerical simulation of the maximum principal stress and deation of coal pillar under different inclinations and spaces of structural plane were carried out by use of 3DEC software. The results show that the maximum principal stress of coal pillar increases with increase of space of structural plane and decreases with increase of inclination of structural plane; influence of space of structural plane on the maximum principal stress of coal pillar decreases with increase of inclination of structural plane; coal pillar deation decreases with increase of space of structural plane and increases with increase of inclination of structural plane; coal pillar deation increases significantly when space of structural plane is less than 1 . 5 m and inclination of structural plane is more than 45〇 . Key words coal mining ； coal pillar deation； inclination of structural plane; space of structural plane; the maximum principal stress 〇 引言 随着大型综掘、 综采机械化程度的大幅度提高， 留煤柱开采尤其是窄小煤柱开采逐渐得到推广， 在 一定程度上提高了煤炭资源采出率， 但同时带来一 系列潜在安全问题及事故[15]。何耀宇等[6]采用 FLAC3D对煤柱拉伸和压剪2 种破坏类型进行研究； 郑西贵等[7]利 用 FLAC3D对掘采过程中沿空掘巷小 煤柱应力分布进行研究； 许兴亮等[8]对煤柱变形及 收稿日期2017-12-15 ;修回日期 2018-04-20 ;责任编辑 盛男。 基金项目 国家自然科学基金资助项目（51379116,51574156。 作者筒介 宁杉“993 ），男，山东麥庄人，硕士研究生，主要研究方向为岩石力学、矿山压力与岩层控制，E-mailningshanl993foxmail. com。 引用格式宁 杉 ， 吕嘉锟，纪海玉， 等 .不 同 结 构 面 倾 角 及 间 距 下 煤 柱 变 形 分 析 工 矿 自 动 化，2018，445 1-94. NING ShanLYU JiakunJI Haiyuet al. Coal pillar deation analysis under different inclinations and spaces of structural plane [J]. Industry and M ine Automation，018，45 91-94. 92 工 矿 自 动 化2 0 1 8 年 第 4 4 卷 中性面进行研究。这些研究通常建立在连续介质力 学基础上， 将煤柱处理为连续体， 没有考虑在煤柱中 广泛存在的结构面破坏及失稳[911]。实际上煤柱内 部包含复杂的结构面网络， 在形态和结构上呈现出 强烈的不连续性[1213]， 因此， 本文利用3DEC数值模 拟软件[14]进行模拟， 分析了不同结构面倾角及间距 下煤柱变形破坏特征， 揭示了煤柱受结构面影响的 规律， 可为含有结构面煤柱的支护提供理论参考。 1 工程概况 山东枣庄某矿东十采区3上1007工作面所在煤 层 为 3上煤 层 ， 地面标高d 35. 44 m，工作面煤层底 板标高一 540. 0 m。工 作 面 走 向 长 724 m，倾向长 175 m， 煤层平均厚度为5. 5 m， 倾角为5〜9。工作 面内赋存13条断层， 内生裂隙较发育， 对工作面回 采造成较大影响。煤层综合柱状图如图1 所示。 柱状 层厚/m 岩层 26.20中砂岩 / 2.71 砂质泥岩 / 1.85 中砂岩 5 9.00 细砂岩 10.00中砂岩 /5.00 粉砂岩 0.30 泥岩 5.503上 煤 0.30泥岩 5.12 粉砂岩 图1煤层综合柱状图 Fig. 1 Comprehensive bar chart of coal seam 为获得不同结构面倾角及间距对煤柱变形的影 响规律，设置结构面倾角分别为15，30，45，60，75， 结构面间距分别为 0. 5，1. 0，1. 5，2. 0，2. 5，3. 0 m， 以结构面倾角及间距2 个因素进行正交设计。 2. 2 边界条件及参数 模型上部边界为自由边界， 由巷道埋深及覆岩 平均密度计算可得上部边界载荷为15 MPa，模型下 表面固定， 两侧面采用应力边界进行固定。模型中 各煤岩层力学参数见表1， 煤柱内结构面力学参数 见 表 2。 表1煤岩层力学参数 Table 1 Mechanical parameters of coal-rock seam 岩 层 密 度 / 体 积 模 kg m-3量/GPa 剪 切 模 量/GPa 内 摩 擦 角/。） / MPa 抗 拉 强 / MPa 粉 砂 岩2 73113.349 . 28333.484.32 煤1 4621 . 501.02311.040.43 泥 岩 2 4562 . 50 1.20301.380.65 粗 砂 岩2 73113.349.28333.484.32 细 砂 岩1 4622 . 901.75311.741.43 表2煤柱内结构面力学参数 Table 2 Mechanical parameters of structural plane in coal pillar 法 向 刚 度/ 向/ 内 摩 擦 角//拉 GPa m1GPa m1“ MPa/ MPa 2020200.140.3 3结果分析 2数值模拟 2. 1 模型建立及模拟方案 根据实际地质情况及3上1007工作面布置方式 建立数值计算模型。模 型 长 X 宽 X 高 为 90 mX 20 m X 90 m;煤柱位于模型中部， 高 度 为 4. 5 m， 宽 度 为 5 m，煤柱两侧分别为巷道及采空区； 各岩层及 结构面采用Mohr-Conlomb准则。煤柱内结构面分 布方式如图2 所 示 ， 其 中 分 别 为 结 构 面 倾 角 、 间 Fig. 2 Distribution mode of structural plane in coal pillar 3.1 煤柱最大主应力变化特征 模拟得到不同结构面倾角下煤柱最大主应力随 结构面间距变化曲线， 如 图 3 所示。可看出煤柱最 大主应力随结构面间距增大而增大， 且增大幅度随 Fig. 3 Curves of the maximum principal stress varying with spacing of structural plane under different inclinations of structural plane 2 0 1 8 年 第 5 期宁 杉 等 不 同 结 构 面 倾 角 及 间 距 下 煤 柱 变 形 分 析 93 结 构 面 倾 角 的 增 大 而 减 小 ； 当 结 构 面 间 距 不 大 于 1m， 不同结构面倾角下煤柱最大主应力差别较小； 当结构面间距大于1m， 结构面倾角为15,30时， 煤 柱 最 大 主 应 力 变 化 幅 度 较 大 ， 结 构 面 倾 角 不 小 于 45时 ， 煤柱最大主应力变化幅度较小。 图 3 中不同结构面倾角时煤柱最大主应力曲线 有明显的线性关系， 因此求出各曲线斜率， 得到斜率 随结构面倾角变化曲线， 如 图 4 所 示 。可看出随着 结构面倾角的增大， 曲线斜率逐渐减小， 表明煤柱最 大主应力随结构面间距变化的幅度越来越小， 即结 构面间距对煤柱最大主应力的影响越来越小。 Fig. 4 Slope curve varying with inclination of structural plane 3.2 煤柱变形规律 为 研 究 不 同 结 构 面 倾 角 及 间 距 下 煤 柱 变 形 规 律 ， 在模型开挖后布置测点对煤柱水平位移和垂直 位 移 进 行 监 测 ， 结 果 如 图 5所 示 。 可 看 出 在 结 构 面 Fig. 5 Deation curves of coal pillar under different inclination and spacing of structural plane 倾 不 的 ， 柱 形 随 间 而逐渐减小； 当 结 构 面 间 距 大 于 ％ 5 m时 ， 煤柱变 形 量 变 化 幅 度 较 小 ； 当 结 构 面 间 距 小 于 ％ 5 m时 ， 煤柱变形量变化幅度显著增大； 在结构面间距不变 的情况下， 煤柱变形量随结构面倾角增大而增大逭 着煤柱内结构面倾角增大， 煤柱变形量变化幅度递 增 ； 当 结 构 面 间 距 小 于 ％ 5 m， 结 构 面 倾 角 大 于 45 时 ， 煤柱变形量急剧增大。 4结论 1煤柱内最大主应力随结构面间距增大而增 大 ， 随结构面倾角增大而减小； 随着结构面倾角的增 大 ， 结构面间距对煤柱最大主应力的影响越来越小。 “ 煤 柱 变 形 量 随 结 构 面 间 距 增 大 而 逐 渐 减 小 ， 随 结 构 面 倾 角 增 大 而 增 大 ； 当结构面间距小于 1.5 m， 结 构 面 倾 角 大 于 45时 ， 煤 柱 变 形 量 显 著 。 参 考 文 献 （参 考 文 献 （References [1] 张科学， 姜耀东， 张 正斌， 等张科学， 姜耀东， 张 正斌， 等.大煤柱内沿空掘巷窄煤大煤柱内沿空掘巷窄煤 柱合理宽度的确定柱合理宽度的确定[P] .采矿与安全工程学报，采矿与安全工程学报，2014, 312 255-262. 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