长壁间歇式开采顶板大面积灾害合理煤柱参数研究.pdf

西安科技大学 硕士学位论文 长壁间歇式开采顶板大面积灾害合理煤柱参数研究 姓名李鹏博 申请学位级别硕士 专业采矿工程 指导教师侯忠杰 20070420 论文题目长壁f e ] 歇式开采顶板大面积灾害合理煤柱参数研究 专业采矿工程 硕士生李鹏博 签名幽 指导教师侯忠杰 签名’歹互主垒匝 摘要 “ 榆神府矿区中小煤矿浅部开采中发生的顶板大面积垮落，不同于坚硬和极坚硬顶板 条件下发生的大面积顶板垮落灾害，它是为了防止浅埋煤层在厚松散覆盖层作用下薄基 岩整体切落，在采空区保留支撑煤柱，从而形成了悬露数万甚至数十万平方米的采空区。 当煤柱逐渐失去支撑能力后，顶板会发生瞬时大面积冒落，形成强烈震动与暴风，对矿 井危害严重。近年来这种事故频繁发生，因此研究顶板大面积来压灾害的课题是非常重 要的。本文采用现场调研、理论分析、相似模拟和数值模拟等方法，针对南梁煤矿间歇 式开采存在的项板大面积垮落问题，提出了以临时与隔离两种不同煤柱及其合理配置， 并结合采空区动态监测的方法，实现顶板小面积无灾害垮落，力图预防顶板大面积垮落 灾害，保证工作面安全生产。文中首先结合南梁煤矿的地质条件，进行了不同覆盖层下， 不同煤柱尺寸和不同煤柱性质匹配的间歇式长壁工作面相似材料模拟实验，实验结果表 明临时煤柱 6 m 和隔离煤柱 1 5 m 相间布置的方案能实现顶板小面积无灾害垮落， 预防顶板大面积垮落灾害。其次，文中还应用F L A C 3 D 程序进行数值模拟计算，结果与 相似材料模拟实验得出的结论基本吻合。实现小面积无灾害垮落除合理确定临时、隔离 煤柱布置方案和尺寸外，还应对相邻区段采空区和开采区内采空区顶板实施动态监测。 最后，本文对采空区“顶板煤柱”进行了动态监测设计． 关键词顶板大面积垮落；临时煤柱；间歇式开采； 研究类型应用研究 S u b j e c tS t u d y O l mT h eR e a s o n a b l eP a r a m e t e ro fP i l l a ro fL o n g w a l lF a c e I n t e r m i t t e n tM i n i n gi nW e i g h t i n go v e rG r e a tE x t e n to f T o pL a y e r S p e e i a U y M i n i n gE n g i n e e r i n g N a m eL i P e n g b o S u p e r v i s o r H o uZ h o n g j i e A B S T R A C T Y u s h e n f uc o a l m i n i n ga r e a o f s h a l l o w m h t t n g o f w e i g h t i n g o v e r g r e a te x t e n t o f t o p l a y e r i nm i n ew o r k e d - o u ts d 2 t i o na r e a , t m l i k eh a r da n dv e r yh a r dr o o f c o n d i t i o n so f t h ef a l lo f l a r g e a r e ad i s a s t e r , i ti st op r e v e n ts h a l l o wS e a l ni nt h et h i c kl o o s e - c o v e rt h eb e d r o c ku n d e rt h e o v e r a l lt h i n ．c u t , t b cg o a lr e t a i nt h es u p p o r tp i l l a r , t h u st h eg o a fs u s p e n d e dr e v e a l e dt e n so f t h o u s a n d so re v 髓h u n d r e d so ft h o u s a n d so fs q u a r em e t e 】瞎．W h e nt h ec o a lp i l l a 略g r a d u a l l y l o s et h ea b i l i t yt 0s u p p o r t , t h er o o fw ∞mh a v ei n s t a n t a n e o u sl a r g ea r e a 脚l i n g ，a n dt h e f o r m a t i o no ft h es t r o n gs h o c ka n ds t o r n xT h ep a p e ru t i l i z e sf i e l di n v e s t i g a t i o na n dr e s e a r c h , t h e o r yc a l c u l a t i o n , s i m i l a ra n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n , e t c ．A i m i n ga tt h eq u e s t i o no f w e i g h t i n g o v e rg r e a te x t e n to f t o pl a y e ri nm i n ew o r k e d - o u ts e c t i o na 脱i nN i a n l i a n gm i n e ．I tp r o p o s e s b yt e m p o r a r yp i l l a ra n di t sr e a s o n a b l yd i s p o s e sa n d u n i f i e so t h e ra s s i s t a n c em e t h o dr e a l i z a t i o n r o o fs m a l l 剐髓t ob r e a kd o w nw i t h o u tt h ed i s a s t e rf a l l s , p r e v e n td i s a s t e ro ff a l lo fl a r g e 锄跪 F i r s t , t h ep a p e rc o m b i n e sw i t hN a n l i a n gc o a lm i n eg e o l o g i c a lc o n d i t i o n s ，d o e ss i m i l a r m a t e r i a ls i m u l a t i ∞u n d e rt h ed i f f e r e n ta 硝d n g ’d i f f e r e n tp i l l a rs i z ea n dt h en a t u r eo f d i f f e r e n t e x ，a l - m a t c h i n gi n t e r m i t t e n tl o n g w a l lf a c e ．T h ee x p e r i m e n t a lr e s u l ti n d i c a t e dt h ep l a no ft h e t e m p o r a r yp i l l a r 6 m a n dt h ei s o l a t i o np i l l a r 1 5 砌a l t e r n a t e sw i t ht h ea r r a n g e m e n tt ob ea b l e t or e a l i z et h er o o f s m a l la 嘞t ob r e a kd o w nw i t h o u tt h ed i s a s t e rf a l l s ．t h ep r e v e n t i o nr o o f b i g m - e ab r e a k sd o w nf a l l st h e d i s a s t e r ．N e x t , t h ep a p e ra p p l y st h eF L A C 3 ”p l o ∞d l l ∞t on u m e r i c a l s i m u l a t i o n , t h er e s u l t sw i t ht h el e s u l t so ft h es i l l l i l a rn 塌c t f i a ls i m u l a t i o no b t a i l I sb a s i c a l l y t a l l i e s ．R e a l i z e st h es m a l la 嘲t ob r e a kd o w nw i m o mt h ed i s a s t e rf a l l se x c e p tt h er e a s o n a b l e d e t e t m i n a t i o nt e m p o r a r y , o u t s i d et h ei s o l a t i o n c o a ip i l l a rp l a no f a r r a n g e m e n ta n dt h es i z e , b u t a l s os h o e di m p l e m e n t ed y n a m i cm o m t o rt ow o r k e d - o u ts e c t i o n8 r e a ．F i n a l l y , t h ep a p e r C 4 1 I T i e St h ed y n a m i cm o m t o rd e s i g nt o ”R - P ”o f w o r k e d - o u t c t , - t i o na 舰 K e yw o r d s W e i g h t i n go v e rg r e a te x t e n t T e m p o r a r yp i l l a r I n t e r m i t t e n tm h l i n g 妻拜技丈学 学位论文独创I 生说明 本人郑重声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名加钳鸣日期纱。7 ．占” 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名痤嗍针角 指导教师签名 歹≤ ．夕／矿 多- “ 7 年z 其t }日 1 绪论 l 绪论 1 ．1 问题的提出 8 0 年代初，在我国浩瀚的毛乌素沙漠下发现了储量丰富的优质煤炭，仅榆 林 神 木 府 谷 和神 木 东 胜 煤田煤炭预测储量2 7 1 4 亿吨，探明储量1 6 6 0 亿吨， 被誉为世界七大煤田之一，且煤层埋藏浅，赋存稳定、近水平、低灰、低硫、低磷、高 发热量，开采条件优越，开采效益极佳。根据国家规划，这里将成为我国西部优质动力 煤的供应和出口煤基地，且地理位置又具承东启西的作用，是2 1 世纪煤田工业战略西 移的首选基地，对本世纪国民经济的发展具有重大意义l “z J 。 榆神府矿区煤层赋存特征为埋深浅、基岩薄、上覆厚松散沙层．虽然煤层赋存稳定， 开采条件优越，但矿井初期开采实践表明，长壁工作面普遍有台阶下沉现象，矿压显现 剧烈，因此神东公司把长壁工作面液压支架工作阻力由原来的3 5 0 0 K N ／架已增加到现在 的8 6 3 8 K N ／架[ 3 1 ，才抵御住覆岩全厚度切落的矿压显现。目前，除神东公司数对具有国 际先进水平的现代化矿井采用装备着世界一流综合机械化设备的长壁开采方法外，其它 约4 0 0 多个地方中小型矿井仍采用回采率很低的非正规房式和柱式开采方法，由于埋藏 浅且有煤柱支撑采空区，所以一般不会出现如长壁开采时的顶板台阶下沉等剧烈矿压显 现。为了提高煤炭采出率和预防顶板大面积灾害，一些有能力的国有地方矿曾试图突破 该区原来的房柱式采煤方法而改用长壁式采煤方法，但均因单体支柱在顶板来压时不能 有效的控制顶板，最终被迫下马[ 4 - 6 1 。 南粱矿业有限公司与西安科技大学矿山压力研究所通过数年深入研究针对南梁技 术装备水平和2 - 2 煤层赋存条件提出了既不同于房柱式开采方法又不同于长壁式开采方 法的间歇式开采方法，并于2 0 0 2 年开始采用至今。间歇式开采方法实质是工作面长壁 布置间歇推进，即工作面每推进5 0 m 留1 0 m 煤柱，搬家到新的开切眼再继续推进，因 工作面不是连续推进，所以起名为“间歇式”开采，实际从空间讲是“间隔”开采．开 采示意图 图1 ．1 [ 7 1 。 图1 ．1 间歇式开采工作面布置示意图 西安科技大学硕士学位论文 井下煤柱长期在地下水侵蚀、时间效应和其它扰动因素作用下，开始变形、破坏， 当一个煤柱破坏时，其所承受的荷载将转由相邻煤柱承担，其相邻煤柱难以承担附加荷 载时，这些煤柱亦随之破坏，顶板将随着煤柱破坏而垮落，在局部顶板垮落造成的动载 荷时，其它煤柱也将失稳，从而使这一过程迅速扩展到整个采空区煤柱，形成多米诺骨 牌效应，被称之为顶板大面积垮落现象。这种顶板的大面积垮落灾害具有突发性和瞬时 性，当垮落面积足够大时其造成的危害难以控制【8 ’9 】。据不完全统计，解放后统配煤矿 发生顶板大面积来压与垮落3 0 多次，其中2 7 次造成较严重的事故。而榆神府东矿区近 一年来这种事故也频繁发生，如2 0 0 5 年1 1 月1 6 日府谷县新民镇两相邻煤矿，府榆煤矿 与中大煤矿，相连的采空区同时发生了大范围塌落事故，其中府榆煤矿塌陷面积约1 2 ．9 4 万m 2 ，中大煤矿塌陷面积约3 ．6 8 万n 1 2 ，两煤矿总塌陷面积为1 6 ．6 2 万n 1 2 ，第二天，中 大煤矿又再次发生塌陷，塌陷面积约9 ．2 6 万m 2 。两矿两次塌陷总面积竟达2 5 ．8 8 万m 2 ， 死亡2 人。就连大柳塔矿采用连续采煤机房柱式采煤方法的工作面也在2 0 0 5 年l O 月1 0 日发生了大范围垮落，造成1 人死亡，1 人受伤。而不出数月，2 0 0 6 年3 月三道沟煤矿 又发生大范围垮落灾变，接着9 月1 4 日府谷县西岔沟煤矿及府谷镇二矿发生大范围垮 落灾变，塌陷面积达2 l 万m 2 ，垮落灾变均造成多人伤亡。 采用房柱式开采方法的矿井目前采取的防治顶板大范围垮落灾害主要措施是加大 煤柱支撑面积，如本区的哈拉沟煤矿投产初采用长壁普采，因支柱无法抗御顶板来压而 撤出，最后不得不改为房柱式开采方法，采l O m 、留6 m 煤柱，每l O O m 又留l O m 隔离 煤柱，到1 9 9 8 年由于数以十万平方米计的采空区域未垮落，又将隔离煤柱加大到1 2 m ； 郭家湾煤矿在单体支柱长壁方法试验失败后，改为每推进l O m 沿煤壁线方向间隔l O m 留设5 5 m 小方形煤柱，每推进l O O m 留8 ～l O m 隔离煤柱的房柱式开采，1 9 9 4 年在开采 过程中，为了安全逐将5 x 5 m 煤柱提高到7 m 等等。因此时至今日，大面积垮落灾害仍 然象一把悬在头顶上的利剑，时时在威胁着矿工安全，成为陕北煤田中小矿井安全生产 的毒瘤。 南梁煤矿目前采用间歇式开采方法虽不同于房柱式开采方法，但采后面积数以 万平方米计的采空区顶板不垮落其实质是相同的，都是因采空区留有支撑煤柱而 导致顶板不能垮落，尽管间歇式开采方法采空区所留煤柱的面积比房柱式开采方法 小得多。据统计，陕北房柱式开采方法采空区大范围塌陷的面积多为数万平方米， 而府榆煤矿、中大煤矿采空区塌陷面积是最大的，由开始1 6 万m 2 发展到2 5 万m 2 。如 此大的采空区塌陷面积，相当于南梁煤矿间歇式开采方法一个工作面采完后的采空区面 积 长约1 0 0 0 m ，宽2 0 0 m 。府榆、中大两煤矿距南梁煤矿不远，具有相同的地质条件， 而且间歇式开采方法采空区煤柱的面积小，依此面积推理，南梁煤矿一个间歇开采工 作面采完后应该出现采空区大范围跨落，但到目前没有发现这种灾变发生，分析其原因， 可能有- - 其一，没有发现大面积垮落并不等于采空区个别开采带顶板没有发生充分冒 2 1 绪论 落，只要几个开采带特别是位于推进长度中部的开采带发生这种冒落，大面积垮落灾变 的可能性就大大减小；其二，大面积垮落灾变除与采空区面积有关外，可能还与采空区 形状有关。尽管南梁煤矿采用间歇式开采方法已开采的5 个工作面尚没有发生顶板大 面积垮落，但周围矿井接连不断发生的大面积垮落伤亡事故应引起生产部门的 高度重视和警惕，解决顶板大面积悬空已经成为南粱煤矿刻不容缓的问题。 本文在对南梁煤矿间歇式开采应用过程中出现的顶板大面积灾害问题进行分析的 基础上【1 0 ’1 1 1 ，提出了预防间歇式开采方法出现的顶板大面积垮落问题，设想对间歇式开 采在采空区内留设的煤柱加以区分，一类为临时煤柱，在区内开采期间暂时保留在区内 的煤柱，以保障在区内开采的顶板安全；一类为隔离煤柱，在区间保留的相对稳定的煤 柱，以有效的隔离己采空区域和工作区域，保证已采空区域的顶板垮落不危及工作区域 的安全，而在开采完一个小区域后，下一个小区域开采时，在隔离煤柱有效隔离前提下， 采后区内临时煤柱应能适时屈服，并对采空区进行监测，实现顶板小面积无灾害垮落， 力图预防顶板大面积垮落灾害。 1 ．2 国内外研究现状 煤柱设计是采矿工程中的一项重要内容，是矿井生产的核心技术之一【1 2 1 。在井工煤 矿开采过程中，煤柱的作用尤为重要。所以近一个世纪来，世界主要采煤国家如英国、 美国、南非、澳大利亚等，均从实验测试、原位测试、经验总结、调查分析和理论分析 等方面对煤柱进行了广泛的研究和探索，相继提出多种煤柱强度公式‘1 3 ’。 1 ．2 ．1 国外煤柱强度的研究 早在1 9 0 7 年，D a n i e s i 和M o o r e 在对煤岩试块进行强度试验后就发现煤岩试块的 尺寸越大，其强度越小；在煤岩试块宽度不变的情况下，试块的高度越大，强度越小。 1 B u ．t i n g 将这两种现象称为“尺寸效应”“形状效应”。并提出了计算煤柱强度 的经验公式 料[ 们 o ．， 剀 n - ， L 、 7 J 式中S 。煤柱的强度，M p a ； S 煤岩强度参数，M p a ； 4 煤柱的宽度；胁； M 煤柱的高度，m ． 2 1 9 2 8 年Z e r o 提出了煤柱强度公式 墨㈡ ㈨2 西安科技大学硕士学住论文 注式中参数同 1 ．1 式。 3 1 9 5 6 年G a d 试图将试验样品强度和煤层原地强度 f i e l ds t r e n g t h 相联系， G a d d y 认为强度随样品尺寸增加而减小的规律可表示为 b 老 1 ．3 式中k G a d d y 常数； 以边长为l 拥 2 ．5 c m 立方体煤样的单向抗压强度，p s i ； d 试块的尺寸，细。 1 9 6 4 年H o l l a n d 和G a d d y 提出了H o U a n d - - G a d d 煤柱强度公式 ，广 s 。．i } 坐 1 ．4 ’ 肘 注式中参数同 1 ．3 式。 H o l l a n d - - G a d d y 公式首次把实验室确定的煤岩试块强度应用于煤柱强度的计算中。 这是美国历史上第一个考虑实验室测试值的煤柱强度计算公式。后来的研究表明该公 式适合宽度比为2 ～8 的煤柱． 4 S a l a m o n 和M u n r o 于1 9 6 7 年对南非失稳 2 7 例 和稳定 9 8 例 的煤柱作 了分析，根据统计结果提出了煤柱强度公式【1 4 1 n 0 ．4 6 ／, ／ S 2 7 2 驴 1 ．5 式中配煤柱强度，删； a 煤柱的宽度，研 M 煤柱的高度，坍。 需要强调的是该统计公式仅适用于南非的开采条件，还应注意当宽高比较大时， 公式中单轴垂直负载的假设被证明是不正确的． 5 O b e r t - - D w v a U ／W a n g 于1 9 6 7 年根据硬岩和弹性力学理论提出，矿柱强度可 按下式计算 品2 ％ o 7 7 8 0 2 2 2 孛 ‘1 射 式中；a | - 一原位临界立方体单轴强度，M ／a a 煤柱的宽度，J q ／； 膨煤柱的高度，m 。 ‘ C S M 科罗拉多矿业学院 1 9 7 5 年经研究证明此公式适用宽高比为l ～8 的煤柱。 6 人们通过大量的原位煤柱强度试验和大尺度的煤试样的强度试验，试验得出 了“临界尺寸”的概念当煤岩试块的尺寸超过“临界尺寸”以后，试块的强度不再随 ● 试块尺寸的增加而减小的规律。B i e n i a w s l d 1 9 6 8 年 提出“临界尺寸”的煤岩试块强 度和煤柱强度关系公式 髟2 巳 o 6 4 o ．3 6 旁 ‘1 ．7 式中 盯。一原位临界立方体单轴强度，脚饥 口煤柱的宽度，m ； M 煤柱的高度，研。 该式在美国获得了广泛应用，经受了实践的检验。B i e n i a v s k i 1 9 8 1 为解决大宽 高比煤柱的强度计算问题，对其早期的煤柱强度公式进行了如下修正“” ％2 ％I n 6 4 o ．3 6 鲁l ， 1 ．8 式中口一常量； 鹚I 柱强度，M ／, a ； o - 正一原位临界立方体单轴强度，M p a ； 4 煤柱的宽度，m ； M 煤柱的高度，m 。 根据美国宾州进行的试验研究表明；当要 5 时，口1 ．4 ；当孚 5 时，口1 ．0 。 7 C ．M a r k 1 9 9 7 认为，煤柱的强度不仅与煤柱的宽高比 W ／h 有关，还与煤柱的 宽长比 W ／L 有关。他根据假设的煤柱内部应力分布特点，结合B i e n i a w s k i 公式推导了 新的煤柱强度公式 ． 墨 o r [ 0 ．5 4 o ．咛一o ．t s 面a 2 I n 9 ， 式中；工煤柱的长度，辨。其它参数同 1 ．8 式。 8 经过近几年的研究，煤柱强度公式又有一定进展，U N S W 通过对澳大利亚部 分煤矿的煤柱强度和稳定性的研究，提出了煤柱强度经验计算公式为【l q 1 当孚 0 ．6 H 时 P 7 H b O ．3 H L ’ 1 ．1 8 ②煤柱两侧采空区宽度 0 ．6 H 时 脚卜每 2 日一甜等 2 日一急] p m 式中工’煤柱长度加两端巷道宽度，所； 。 P 煤柱荷载，刎； ，，一上覆岩层的平均容重，M N ／∥； 日采深，所； a 煤柱宽度，m ； b 采出宽度，新； 上述理论虽然作了一定的近似和假设，但仍然满足工程要求，因而得到广泛应用。 S 1 绪论 1 ．3 研究的方法和内容 长壁间歇式开采实现小面积无灾害垮落的关键是确定垮落区范围大小、区内l l 缶时煤 柱和隔离煤柱的宽度。为此本文以确定煤柱宽度为主要目标，以现有的煤柱强度理论和 煤柱设计方法为基础，采用现场实地调查、理论计算、相似材料模拟实验和计算机数值 模拟分析相结合的方法，主要研究内容如下 1 研究间歇式开采方法上覆岩层活动和破坏规律，以临时与隔离两种不同煤柱 及其合理配置的方法，并结合采空区动态监测，提出了预防出现大面积垮落灾害可能采 取的方案，初步确定小面积无灾害垮落区域的范围； 2 结合国内外的煤柱强度理论和煤柱载荷理论，对临时煤柱和隔离煤柱进行初 步设计．根据初步设计，进行了不同覆盖层下、不同煤柱尺寸和不同煤柱性质匹配的间 歇式长壁工作面相似材料模拟实验，进一步确定临时煤柱实现小面积无灾害垮落、隔离 煤柱实现无大面积垮落灾害的参数； 3 运用有限差分法程序F L A C 3 D 进行数值模拟计算，验证相似模拟实验结果； 4 对采用临时煤柱和隔离煤柱布置的工作面进行动态监测系统的设计和布置。 9 西安科技大学硕士学位论文 2 临时煤柱和隔离煤柱理论分析 2 ．1 临时煤柱和隔离煤柱概念 间歇式开采方法实现小面积的无灾害垮落的关键技术是在采空区内设置不同性质 的煤柱，即临时煤柱和隔离煤柱。临时煤柱是指在区内开采期间暂时保留在区内的煤柱， 以保障在区内开采的顶板安全，在下一个小区域开采时，在隔离煤柱有效隔离前提下， 在动态载荷的影响下，采后区内临时煤柱应能适时屈服，实现小面积无灾害垮落。临时 煤柱的设计理念来源于屈服煤柱，但又不同于屈服煤柱。 2 ．1 ．1 屈服煤柱简介 屈服煤柱1 2 4 j 一词是根据英文中 y i e l dp i l l a r 得来的。屈服煤柱最早出于上世纪中 期，当时美国煤矿由于开采深度的增加，在开采体系中以传统方法即留设连续 或坚固、 刚性 煤柱方法进行开采不仅浪费大量的煤炭资源，而且过大煤柱 也即煤柱的宽高比 不仅导致过大应力增加了顶板支护费用，更严重的是增加了灾变威胁。在这种形势下， 就出现了屈服煤柱设计。 关于屈服煤柱的定义可以用工程实践过程中测试的煤柱载荷变形曲线的三个截然 不同的区域来解释。图2 ．1 是美国人W a g n e r 1 9 7 4 年通过一次煤柱的原位实验得到了 完整的煤柱载荷变形曲线，实验煤柱的尺寸为2 长 1 ．2 宽 X 0 ．6 7 高 ，通过 在煤柱中设置水压力装置获得煤柱的垂直应力[ 2 5 1 。 生桂壹蓐 m - O 一 图2 ．1 煤柱的应力压缩曲线 W a g e r l 9 7 4 嗍 图2 ．1 所示的是煤柱载荷变形曲线可分为3 个区域，区域l 是曲线上升段，煤柱的 应力随变形的增大而增加；区域2 是曲线下降段，煤柱的应力随变形的增大而减小 应 1 0 ‘l } r ￡一霞蕾雒攀 2 临时煤柱和隔离煤柱理论分析 变软化阶段 ；区域3 是煤柱的应力随变形的增大开始趋于常数最终稳定于残余强度； 区域2 与区域3 的分界点被称为煤柱的极限强度或者是煤柱的最大承载能力。区域3 是 通过数值模拟得到的。当煤柱上的应力达到煤柱极限强度时，如果煤柱的变形超过这个 点，那么煤柱的载荷将变小，此时煤柱的工作点处于煤柱载荷变形曲线的下降段及区域 2 。至此我们可以做这样的论断如果一个煤柱在煤柱载荷变形曲线的下降阶段工作， 它就成为屈服煤柱。 2 ．1 ．2 临时煤柱和隔离煤柱的概念 图3 ．2 是间歇式开采中临时煤柱和隔离煤柱的布置示意图 为了叙述方便，将5 0 m 的开采距离称作开采带，开采带由开挖顺序分别编号为第l 带、第2 带⋯⋯；临时煤柱 编号分别为第1 临时煤柱、第2 临时煤柱⋯⋯ 。 临时煤柱从屈服煤柱引申而来，似屈服煤柱但又不同于屈服煤柱，因为屈服煤柱是 在变形曲线的下降段工作的煤柱，而对临时煤柱的要求是在2 号带开采时l 号I 临时煤柱 的工作点应在图2 ．1 煤柱的载荷变形曲线的峰值点附近，开始时在峰值点左侧，到2 号 开采带结束时移动到峰值点右侧，而到3 号带开采时l 号临时煤柱的工作点应在变形曲 线的第3 区域，即残余强度段内。 隔离煤柱的工作点始终应在变形曲线的第1 区域内。 9 图2 ．2 问歇式开采方法隔离和临时煤柱相间布置 l 边界煤柱；2 一l 号开采带；3 - - 1 号临时煤柱；4 - - 2 号开采带；5 ，9 鞴离煤柱； 6 一- 3 号开采带；7 q 号临时煤柱；8 - _ 4 号开采带 临时煤柱的作用有二个，一是2 号带开采时保证顶板不发生初次垮落，二是3 号带 之后某带开采时保证l 号带和2 号带的顶板垮落，因此从设计角度讲，临时煤柱比屈服 煤柱要求更高。隔离煤柱承载能力始终大于顶板所施加的集中载荷，其作用是在l 、2 号带顶板垮落时保证垮落只限定在1 、2 号带内，不影响正在开采的工作面，这就是小 面积无灾害垮落的概念。 由上述讨论可知，屈服煤柱在变形曲线下降段工作并能有效地支护顶板，因而不能 使工作点处于残余强度；而临时煤柱不仅初期应支护开采带顶板不发生初次垮落，而且 后期工作点应处于残余强度使已开采带采空区顶板垮落，其设计目的是更好地处理采空 区预防灾变。这是临时煤柱与屈服煤柱的根本区别。 西安科技大学硕士学位论文 2 ．2 临时煤柱和隔离煤柱的两种布置方案 考虑间歇开采方法的相关参数和神府矿区长壁工作面顶板初次来压步距，临时和隔 离煤柱有两种布置方案。 方案I 临时煤柱和隔离煤柱相间布置，见图2 ．2 ，其目的是将顶板的垮落限定在 两相邻隔离煤柱间距的1 0 4 ～1 0 7 m 2 个开采带 范围内。 方案Ⅱ两个临时煤柱与隔离煤柱相间布置，见图2 ．3 ，其目的是将顶板的垮落限 定在两相邻隔离煤柱间距的1 5 8 ～1 6 4 m 3 个开采带 范围内。 1234567891 01 11 21 3 图2 ．3 隔离煤柱与两个临时煤柱相间布置 l 边界煤柱；2 、4 、6 、8 、1 0 、1 2 依次1 ，2 、3 、4 、5 、6 号开采带； 3 、5 、9 、1 1 依次1 、2 、3 、4 号临时煤柱；7 、1 3 偏离煤柱； 方案I 的优点是可将间歇开采方法顶板垮落面积限定在最小范围，提高了顶板垮落 时的安全性。方案I I 的优点是因增加了间歇开采方法顶板垮落的面积，提出此方案的目 的之一是一旦方案I 因顶板整体性好不能实现垮落时，方案Ⅱ可确保顶板垮落，目的之 二是进行两方案煤柱应力比较，以提高实验的可靠性；方案I I 的缺点是顶板垮落时的安 全性比方案I 差。当然不论方案I 还是方案Ⅱ能否实现小面积无灾害垮落，关键取决于 临时煤柱和隔离煤柱的宽高比，对于确定的煤层，就取决于临时煤柱和隔离煤柱的合理 宽度。 2 ．3 临时煤柱和隔离煤柱宽度的确定 2 ．3 ．1 煤柱设计的一般步骤 对于以临时支撑上覆岩层、控制岩层移动并能实现隔离区域适时小区域垮落为目的 煤柱设计，即本文着重阐述的在限定区域内、临时支撑工作面顶板的煤柱设计．一般可 按下述步骤进行[ 2 s i 1 收集地质资料 包括关于地表、地层和煤层 和尽量现场测定一些计算参数 如 煤体抗压强度、剪切强度等 ； 2 实验室测定煤试样参数； 3 选择煤柱强度公式，计算煤柱的强度 4 确定煤柱的平均载荷； 5 选择安全系数，按照S 。 F P 解算煤柱宽度； 1 2 2 临时煤柱和隔离煤柱理论分析 其中，煤柱强度的计算、确定煤柱所承受的荷载以及选取合理的安全系数是煤柱设 计的关键。 2 ．3 ．2 南梁煤矿间歇式开采2 五煤层回采工作面煤柱设计 1 根据实验室测试的煤试样 直径5 0 m m ，高度1 0 0 m m 的圆柱体试件 的单轴 抗压强度为一a ． 2 有研究表明同样截面的圆柱状试样的强度要比立方体试样的强度要低3 0 * ／, 左 右，所以将其转化为立方体试样 边长为1 0 0 m m 的单轴抗压强度为o - c 彰x 1 3 0 ％。 3 再根据H u s t r u l i d 的极限立方体强度公式将实验室小试块强度转化为极限立方 体单轴强度 ％ 吼√芳 2 ．1 式中吒一原位极限立方体单轴强度，M p a ； 以一实验室试块强度，M p a ； w 一实验室煤岩试块的宽度，c m ； 形极限立方体宽度，c m 当矿大于9 0 c m 时，取9 0 c m 。 4 利用B i e n i a w s k i 公式 1 9 8 1 年 计算煤柱的强度[ 3 6 1 。 o ．1 0 ．6 4 o ．，s 新 晓2 ， 式中最煤柱强度，M p a 5 q 一原位极限立方体单轴强度，M p a 5 a 煤柱宽度，聊； 膨煤柱高度，朋； a 一常数，当煤柱的宽高比大于5 时，a 1 ．4 ；当煤柱的宽高比小于5 时，a 1 ．0 。 5 应用W i l s o n 1 9 7 0 年 理论计算煤柱上的载荷 P ，日 6 o ．3 H L ’ ． 2 ．3 式中P 煤柱载荷，M N ； ，，上浮岩层的平均容重，M N ／m 3 ； Ⅳ一开采深度，拼； 6 采空区宽度，辨； F 煤柱长度加两端巷道宽度，所。 西安科技大学硕士学位论文 6 最后按照煤柱的安全系数公式 F 生 2 ．4 ， 式中配煤柱的强度，M p a ； P 煤柱载荷，M p a ． 结合南梁煤矿实际开采情况将临时煤柱留设为4 ～7 m ，M 2 m ，H 1 2 5 m ， ， o ．0 1 9 M N ／m 3 ，b 5 0 m 。通过上面的计算，一 2 0 ．4 R ￡, a 南梁煤矿2 0 1 0 5 工作面 的实验参数 ，吒 2 5 ．2 M p a ，％ 8 ．s 4 尬, a 。 表2 ．1 临时煤柱尺寸计算 根据安全系数法设计临时煤柱时，根据美国屈服煤柱的设计经验，宽高比取2 ～6 ， 安全系数为0 ．2 ～O ．6 。因此临时煤柱可按4 、5 、6 、7 m 设计。 根据南梁煤矿实际开采情况，1 5 m 的隔离煤柱满足生产要求，初步将隔离煤柱留设 为1 5 m 。根据式 2 ．2 和式 2 ．3 计算隔离煤柱的煤柱强度S 。 2 9 ．5 2 M p a ，隔离煤柱 宽1 5 m 时煤柱载荷P 1 4 ．9 3 M p a ，取安全系数F 1 ．5 。根据煤柱极限强度理论S 。≥F P ， 判定隔离煤柱留设1 5 m 满足设计要求。 2 ．4 煤柱稳定性分析 煤柱的稳定性主要取决于煤柱应力和煤柱强度，当煤柱应力超过煤柱强度时，煤柱 将失稳破坏。煤柱在地下水侵蚀、风化和其它扰动因素作用下，其强度将随时间产生弱 化和蠕变。目前主要有两种方法评价和描述煤柱的应力过程和失稳机理极限强度理论 和逐步破坏理论1 2 4 1 。极限强度理论认为当作用在煤柱上的荷载达到煤柱的极限强度时 煤柱将破坏。逐步破坏理论指出煤柱内存在缺陷或应力不均匀现象，其破坏是在最危 险的区域开始，而后逐步扩展为极限破坏。处于采空区的煤柱可分为二带，其一