一五一煤矿条带开采采留宽度研究.pdf

黑龙江科技学院 硕士学位论文 一五一煤矿条带开采采留宽度研究 姓名刘利平 申请学位级别硕士 专业采矿工程 指导教师路占元 201106 摘要 一五一煤矿构造多、褶曲多、基本顶是厚层坚硬的含砾砂岩且直接落在 煤层之上，局部有直接项但很薄、煤层厚度变化大，历史上曾经采用过高落 式、房柱式、预裂爆破顶板岩石普采放顶煤及综采放顶煤、分层开采等方法， 因基本项垮落步距太大、回采工作面安全面临严重威胁、预裂爆破钻孔施工 极度困难、第二分层开采顶板管理极度困难、回采率低于4 0 ％等原因而告失 败。经研究决定采用条带法解决开采难题。 经现场顶底板岩石和煤层取样，在矿压实验室测定顶底板岩石和煤的单 轴抗压强度、抗拉强度、弹性模量和泊松比；利用传统理论分析了条带煤柱 的应力分布、变形的规律和条带煤柱的破坏形式、稳定性及影响因素。通过 简支梁理论计算和I 江P A 数值模拟得出了理想的条带开采宽度，结合一五一 煤矿坚硬顶板的实际地质条件和开采的实际情况合理确定了条带开采宽度； 通过对条带煤柱理论分析和计算得出条带煤柱保持长期稳定的最小宽度，在 此基础上，运用F L A C 3 D 数值模拟软件进行数值模拟研究，对坚硬顶板条带 开采的相同采宽不同留宽煤柱塑性区和应力分布进行了模拟分析，得出了适 合坚硬顶板条带开采条带煤柱的合理宽度；通过现场运用观测，验证了理论 分析、数值模拟的合理性，既提高了一五一煤矿的回采率又能保证安全生产 的条带留宽和采宽，解决了生产难题。 该论文有图2 9 幅，表8 个，参考文献5 8 篇。 关键词条带开采；开采宽度；煤柱尺寸；数值模拟； A b S t r a C t I nV 1 e wo f 。t h ep r ob l e mt h a tm o r es t r u c t u r e s ，m o r ef o l d s ，t h i c ka n ds o l i d s a n d s t o n e ，t h i c k n e s so fc o a ls e a m sa n ds oo n ，t h e151c o a lm i n ec a n ’ta d o p t 如l l m e c h a n i z e dc o a lw o r k i n gf ．a c e ．T h e15lc o a lm i n ea d o p t e dt h em e a S u r eo fh i 曲 a n df a l l i n gt y p e ，r o o m sa 1 1 d p i l l a r st y p e ，V i m l a lp r o t o t y p i n gt o pc o a lc a V i n g t e c h n o l o g y ，s 印a r a t ez o n ep r o d u c t i o nt e c l m i q u e ．B e c a u s eo fc a v i n gs t e pd i s t a n c e i st o ob i gi nb a s i cr o o f ，f a l lt h ep r e s p l i tb l a s t i n gb o r e h o l ec o n s t m c t i o na n df u l l y m e c h a n i z e ds u b l e V e l c a v i n g i s e x t r e m e l yd i 衔c u l t ，w o r k i n g f a c et h et h r e a t s e V e r e l y ，m a n a g eo fs e c o n dl a y e r i n ge x p l o i t a t i o nr o o fi se x t r e m e l yd i f h c u l t ， r e c o V e 巧r a t ei sl o w e rm a nf ．o I r t yp e r c e m ，a R e rt h er e s e a r c hd e c i d e dt h a ta d o p t i n g s t r i pm e t h o dt os 0 1 V ee x p l o i t a t i o np r o b l e m ． T h o u g h t h er o c ka n dc o a ls 锄p l i n ga tt h er o o fa n df 1 0 0 r ，r o o fa n df 1 0 0 rr o c k a n dc o a lu 】菌a x i a lc o m p r e s s i V es t r e n g t l l ，t e n s i l es t r e n 昏ha n de l a s t i cm o d u l u sa n d P o i s s o nr a t i oa r ed e t e m i n e di n 血n ep r e s s u r e1 a b o r a t o r y ；U s i n gt r a d “i o n a lt h e o r y a n a l y z e st h es t r e s sd i s t r i b u t i o n ，s t r i pp i l l a rd e f o r m a t i o n1 a wo fc o a lp i l l a rf - a i l u r e m o d e sa 1 1 dc h 锄e l ，t 1 1 es 切b i l i 哆a n dt h ei n n u e n c i n gf 如t o r s ．T 1 1 r o u g ht h e o r e t i c a l c a l c u l a t i o na n db e a mR F P Am 珊e r i c a ls i m u l a t i o no b t a i n e dt h es t r i pm i n i n gi d e a l 谢d m ，t h es t r i pm i l l i n g 研d 也i sd e t e 肌i n e db yc o m b i n i n gt h ea c t u a lg e o l o g i c a l c o n d i t i o no fh a r dr o o fa n dt h ea c t u a ls i t u a t i o ni n151c o a lm i n e ，m em i l l i m u m 嘶p p i U a rs t a b i l i t yw i d m i so b t a i n e db a s e d6 nm e o r e t i c a la n a l y s i sa J l dc a l c u l a t i o n ，o n m i sb a s i s ，u s i n gF L A C 3 Ds o R w a r et os i m u l a t ea n da n a J y z em es 帅eh a u r dr o o f s t r i pm i n i n gc o a lm i l l i n gw i d t hd i 虢r e n tl e a V ew i d ep l a S t i cz o n ea n ds t r e s s d i s t r i b u t i o n ，h a r dr 0 0 fs t r i pm i I l i n gc h 咖e 1f o rt h er e a s o n a b l e 嘶d mo fc o a lp i l l a i so b t a i n e d ；T h r o u g ht h ef i e l da p p l i c a t i o no b s e Ⅳa t i o mt h et h e o r e t i c a la I l a l y s i s ， n u m e r i c a ls i m u l a t i o no fr a t i o n a l i t ya r eV e r i f i e d ，n o to n l ym e151c o a le x t r a c t i o n r a t ei se n h a n c e d ，b u ta l s os a f ep r o d u c t i o nc l I r V i l i n e a rl e a V ew i d t ha n dm i n i n g w i d t ha r ee n s u I I e d ，p r o d u c t i o np r o b l e m sa r ea l s os o l V e d ． T h ep a p e r h a ST w e n t rn i n ef i g u r e s ，e i g h tt a b l e sa n df l R y - e i g h tr e f e r e n c e s ． K e y w o r d s 嘶pm i m n g ；m i n i n gw i d t h ；p i l l a rs i z e ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n I I 致谢 本文是在导师路占元教授的悉心指导下完成的。在三年的研究生学习期 间，路老师在学习上给予了我精心的指导；在生活上给予了我无微不致的关 怀和照顾。导师在论文的选题、研究方法、撰写等各个方面都倾注了大量的 心血和精力。特别是他在生活和工作中所表现出的高尚品德、渊博知识、严 谨的治学态度、精益求精的科研作风，兢兢业业的工作精神深深感染和鞭策 着我，使我受益匪浅。值此毕业之际，特向我的导师表示衷心的感谢与敬意。 师恩似海，在此谨向导师致以深深的谢意和崇高的敬意 感谢黑龙江科技学院资源与环境工程学院采矿工程的所有研究生导师及 教师在论文开题、中期考核时，提出的建议和意见，让我有了论文的思路和 重点，再次感谢你们在我攻读硕士学位期间，在学习，生活和论文写作过程 中所给予的极大帮助，感谢你们的辛勤培养和教导。 感谢我的同学刘洋、葛志会、张石磊、申元、王亚军、张金龙、齐忠友 等同学在论文写作期间对我的帮助。 感谢我的父母，感谢他们在我近二十年的读书生涯中辛勤地养育着我， 并在精神上给予鼓励和鞭策。 向那些曾在学习和生活中给予关心、爱护和帮助的各位老师、同学、朋 友们表示衷心的谢意。 在论丈撰写过程中，参阅了大量的文献资料，在参考文献中已将作者列 出，但难以保证没有遗漏。在此，向所有的作者表示衷心感谢。 由于水平有限，所写论文难免有不当之处，诚挚的恳请各位专家、教授 给予批评、指正。衷心感谢各位专家、教授在百忙之中评阅本文。 1 绪论 1 绪论 1 ．1 问题的提出及研究意义 我国目前煤炭资源勘探投入不足，探明储量正逐渐减少，在这种趋势下， 煤炭开采还应采取大中小并举的战略，还需要发展小煤矿Ⅲ。但小煤矿的开 采现状令人担忧。小煤矿地质条件和开采技术条件往往比较复杂，开采难题 比较多。他们往往采用落后的开采方法，致使矿压显现剧烈，安全事故频繁 发生；采出率低，造成国家资源的大量浪费。 一五一煤矿因构造多、褶曲多、煤层无直接顶、基本顶是厚层坚硬的含 砾砂岩、煤层厚度变化大等原因而无法采用综采。历史上曾经采用过高落式、 房柱式、预裂爆破顶板岩石普采放顶煤、分层开采等方法，因基本顶垮落步 距太大、预裂爆破钻孔施工极度困难、第二分层开采顶板管理极度困难、回 采率低等原因而告失败。经研究决定，进行条带法的尝试，采用条带法解决 开采难题。条带法的初衷是减少地表下沉和变形，而本文在条带法的应用领 域方面赋予条带法以新的涵义，阐述了条带法在解决开采难题方面的功效。 经过几十年的开采，我国三下压煤储量相应增大，所占比例逐年升高。 1 9 6 7 年抚顺胜利煤矿开始运用条带开采。条带开采在保护地面建 构 筑物、 保护环境、避免顶板岩层大面积垮落等方面收到了良好的成效，积累了大量 的经验，至今仍在广泛采用。这些经验和理论为用条带法解决开采难题奠定 了基础。 ‘ 本文研究内容对于类似上述的地质和开采条件下如何解决开采难题具有 一定的指导意义。 1 ．2 条带开采的研究历史和研究现状 条带开采的关键问题是能保持煤柱的长期稳定。条带开采方法是不同于 单一长壁采煤法的特殊采煤方法，是以合理的尺寸把煤层划分成条带状，采 一部分，留一部分，没有开采的部分 条带煤柱 用来支撑上覆岩层的载荷。 1 ．2 ．1 条带开采在国外的研究与应用 上世纪5 0 年代，前苏联、美国、波兰、澳大利亚和英国等重要采煤国家 运用留设煤柱支撑顶板的方式来控制地表沉陷，保护建筑物和生态环境，他 l 硕士学位论文 们通过对研究采宽和留宽之比的关系进行了大量的研究。前苏联和波兰为了 提高煤炭的回采率，节约资源，对窄煤柱也进行了深入细致的研究。 他们在建筑物下运用条带采煤法取得了良好的效果，回采率在4 0 ％6 0 ％ 之间，当时开采的地质条件是在采深小于5 0 0 m ，采厚2 m 左右，地层沉陷系 数在O ．1 0 以下，在大采深，厚煤层也有实践应用，沉陷系数达到了O ．1 6 ；波 兰采用过水砂充填技术开采5 ．9 m 厚度的煤层，条带煤柱宽高比在1 ．2 ～5 ．1 之 间，其他国家一般采用全部垮落法管理顶板，其条带煤柱宽高比一般在 2 ．5 ～8 3 ．7 之间。条带煤柱开采方法在欧洲有了大量的实践经验，获得了不少 的煤柱宽度计算公式和强度计算公式，但在地表移动机理，条带开采优化设 计等方面的研究还有很多的不足。 1 ．2 ．2 条带开采在国内的研究与应用 我国对条带法研究运用也有了很大的进步。从1 9 6 7 年开始把条带开采用 于“三下”采煤。我国在很多省份进行了百余个条带开采实验。在工业广场、 村庄下运用条带法回收煤柱，基本上掌握了条带开采地表下沉规律和对地面 建筑物的影响，回采率在4 0 ％～8 ．6 ％之间，地表下沉系数一般小于0 ．2 ，还有 极少数的条带开采由于重复采动，煤柱强度降低，提高回采率而加大采宽等 原因，地表沉陷系数有所增加，除此之外，都取得了好的效果乜叫】；水砂充填 条带法在我国也有应用，例如抚顺胜利煤矿运用此方法开采嘀3 ，煤层厚度大 于1 0 m 属于特厚煤层，开采宽度6 0 m ，煤柱宽度7 0 m ，深度为5 0 0 m ，而且 是在城市和工厂下开采，地表下沉系数小于0 ．0 4 ，有效地控制了地表沉陷。 由于条带开采采出率低，宽条带开采理论随3 已被提出，并且运用于实践 中，在实际中取得了一些成功；在宽条带开采方法的影响下，宽条带全柱开 采和宽条带充填全柱开采口3 的研究已经起步并进入研究阶段。 1 ．3 条带煤柱稳定性研究现状 条带煤柱强度和实际载荷的计算，是煤柱稳定性的重要因素。 在一个世纪以来，世界各国煤炭开采研究专家对煤柱强度进行了大量的 原位试验和实验室试验，并通过实例调查和试验研究结果，再结合理论分析， 总结出多种煤柱强度和载荷分析方法和计算公式。 1 ．3 ．1 煤柱荷载理论 ．根据极限强度理论可了解到，当上覆岩层作用在煤柱上的载荷大于煤柱 2 1 绪论 的承载能力时，煤柱整体结构完全破坏，煤柱进入失衡状态，相反，煤柱处 于稳定状态，煤柱载荷受很多因素影响，例如，上覆岩层的层数、种类、岩 层的性质以及煤柱本身的力学参数。因此，煤柱载荷的确定是一个非常复杂 的过程，国内外学者对煤柱载荷的计算提出了不少见解。 1 ．压力拱理论喁1 压力拱理论最早在1 9 3 0 年．1 9 5 4 年由北英格兰开采支护委员会提出，主 要用于开采沉陷控制。该理论认为，工作面向前推进以后，在工作面后方采 空区上方形成了压力拱，上覆岩层的负载只有很少一部分 即开采层面与拱周 边之问包含的岩层的重量 作用到直接顶板上，其他部分的覆岩重量转移到采 区两侧的实体煤区 拱脚 上，所形成的压力拱不稳定，导致压力拱失效，形 成大面积破坏，以至于造成大的地表沉陷。 2 ．有效区域理论阳1 这种理论假设煤柱要承担上覆岩层的所有重量，即煤柱除要承担煤柱上 方岩层的重量以外，还要承担煤柱周围采出空间一半面积的上覆岩层的重量。 该理论最早源于实验空的孔眼金属板加载试验 D u v a l l ，1 9 4 8 年 。后来罗兰 德 R o w l 锄d s ，1 9 6 9 年 和理查德 m c h a r d s ，1 9 7 8 年 还进一步研究认为 只要盘区的范围足够大，盘区内部远离盘区边沿的煤柱应力趋于最大值。 H u s t m l i d 和S w a n s o n 分析认为，公式的前提假定导致计算出的煤柱载荷 比实际载荷要高，但是在计算方面给工作者带来了方便，在美国和其他采煤 国家都得到了普遍的运用。进行实质性分析，上述公式也存在一些不足n 们““1 1 没有考虑煤柱的位置与煤柱所承受的荷载的关系；实际上，盘区范围 并非总是足够大，因此位于采区不同位置的煤柱所承受的荷载并不完全相同。 2 没有考虑煤柱在形成过程中，在煤柱的边缘会形成包围煤柱核区的塑 性区，煤柱塑性区所承受的荷载与煤柱核区所承受的荷载并不相同。 3 煤柱所承受的载荷不仅与采出率和开采的深度有关，还与整个采出空 间的大小以及上覆岩层的结构有关，煤柱并非总是承担上覆岩层的所有重量， 当整个采空区较小时，上覆岩层中会形成比较稳定的结构，如托板结构。由 于稳定结构的存在，会使结构体上覆岩层的一部分重量转移到采区四周煤岩 柱上。 3 ．W i l s o n 理论‘1 1 3 A ．H ．威尔逊 W i l s o n ，1 9 7 0 年 认为煤层上覆岩层的重量是由两部分来 承担，一部分是煤柱承担，另一部分由采空区冒落的矸石承担，采空区矸石 承担的载荷量与采空区内各点顶底板闭合量有密切关系，与采空区垂直应力 3 硕十学位论文 到煤壁之间的距离成正比例关系，当采空区垂直应力到煤壁的距离达到0 ．3 倍采深时，采空区各点垂直应力恢复到原始载荷丫日。 a 两侧采空区项板冒落的煤柱 b 两侧采空区冒落矸石宽度小于0 ．6 H 情况下的煤柱 图1 ．1W i l s o n 的采空区载荷量与顶板闭合量之间的关系 F 唔1 1w i l s o nT h e r e l a ．t i o nb e t 、v e e ng o bl o a d i n gr a t ea n dt h er o o fc l o s e d A ．H ．威尔逊 W i l s o n 根据如图1 ．1 所演示的内容，得出了煤柱两侧不 同宽度的采空区煤柱载荷的计算公式如下n 煤柱两侧采空区宽度大于0 ．6 H 时， 尸 丫何 6 o ．3 Ⅳ 三’ 1 - 1 煤柱两侧采空区宽度小于0 ．6 日时， 尸 丫[ 胁 每 2 日一惫 每 2 Ⅳ一惫 ] 三’ ㈨2 ， 若煤柱两侧采出宽度相同，即反 6 ， 6 ，则上式简化为 ． 脚卜酗一耕、 ㈧3 式中三、煤柱长度加两端巷道宽度，棚； 尸煤柱的载荷，俐； 其它参数含义同上。 4 ．尉n g 公式 金 k i n g 等人于1 9 7 0 年运用一种新的思维方式，把开采沉陷理论与有 效区域理论相结合，来估算长壁巷道煤柱的应力。金 妯n g 提出了几个假 设条件在采空区前方煤壁内有一恒定的剪切角e 含煤岩层e 3 0 0 ，相当 1 绪论 十冒裂角‘2 6 9 。 ，由到训线所包围趵覆君的重量均萤转出煤枉采承担，以6 表示采区宽度，分别称形日 2 t a I l o 为亚临界 状态、临界状态和超临界状态，则有如下计算煤柱的平均应力公式 对于单排长方形煤柱，当∥日 2 t a n e 时， 脚警 胡树t a n 。 1 ．5 对双排长方形煤柱。当6 ／日 2 t a n 0 时， 尸 丫等[ 2 口 B 片] 日2 t a n 。 1 ．7 1 ．3 ．2 国外煤柱强度强度理论 1 ．B u n t i n g 公式【l l - 1 3 】 早期岩石力学研究者对煤岩的单轴强度进行了多次的会议性质的探讨。 1 9 0 7 年美国科学家D a n e i s 和M 0 0 r e 在对煤柱强度计算和尺寸确定的煤岩试 块试验后，总结出“尺寸效应“ 一“煤岩试块的尺寸越大，其强度越小”； “形态效应”一“在试块宽度不变的条件下，试块高度越大，强度越小’’，还 指出“没有充分的煤柱支护而进行的开采，煤柱屈服、顶板冒落、底板鼓起 迟早要发生”。B u n t i n g 总结出了．煤柱强度计算的经验公式 嘲卜∞㈦] ㈨8 ， 式中S 。煤柱的强度，脚口； S ，煤柱强度参数，脚口； 口煤柱的宽度，m ； M 煤柱的高度，m 。 B u n t i n g 进行原位煤柱破裂分析后，确定了原煤的强度参数S 。 7 彪砌， 他的煤柱强度计算方法对研究煤柱强度产生了深远的意义。 2 ．核区强度不等理论 硕十学何论文 1 9 7 0 年格罗布拉尔 G r o b b e l a a r 把煤柱核区强度和实际应力相结合， 分析煤柱的尺寸和形状确定出核区不同位置的强度，并分析得到煤柱核区 内各处强度不相等，当平均应力高于极限应力时，煤柱不能完全破坏，因为 煤体内部存在摩擦，提高了煤柱的强度，并得出了长条煤柱破坏包络面计算 公式；该理论没有结合矿山工程地质条件，忽略了工程地质条件的非均质性， 只是在理论条件下，进行公式的推导和计算，而且，计算公式复杂，参数个 数较多，数据获取难度系数较大，从而使公式的使用性大大降低。 3 ．两区约束理论阳叫3 3 该理论是W i l s o n l 9 7 2 年在格罗布拉尔研究的基础上提出的，并且要满足 有以下几个假设条件 1 煤柱是由核区和塑性区两部分组成，破坏的塑性区包围着核区，约束 着核区并使核区处于三轴应力状态，大体符合弹性法则。 2 煤柱的屈服应力为侧压o 。的t a np 倍，t a n p 根据煤体内摩擦 P 的得到 的，即t a J l p 1 s i n 叩／ 1 一s i n 9 ，一般可取t a n p 4 。 3 煤柱边缘的无约束垂直应力o o 1 6 ／加2 o ．0 0 7 脚口 ，塑性区水平约 束力a3 由外往里至与核区交界处逐渐增大，达到原岩自重应力丫日，塑性区_ 为 _ ‰丝o ．0 0 4 9 2 埘 1 ．9 ，．。 一m 一 U ．U U q y Z 么爿 Ll - y ’ 6 o o 式中，M ，日分别表示煤柱的高度和埋深，小。 4 一旦核区内部达到峰值应力，核区弹性状态将逐渐消失，煤柱将失稳 破坏。因此煤柱的稳定性极限为核区平均应力d 钾日。 A ．H ．威尔逊 W i l s o n 运用这5 个假设条件求得煤柱承载能力的计算公 式 当 宽 煤柱有核区存在时 口 0 ．0 0 9 8 4 朋 ； 1 方煤柱 乞 4 丫Ⅳ 口2 9 ．8 4 删1 0 - 3 4 8 ．4 4 M 2 日2 1 0 - 6 1 一l o 2 长方煤柱 上。 4 Y H [ 础一4 ．2 9 口 三 删l o - 3 1 8 ．4 4 M 2 日2 1 0 _ 6 ] 1 ．1 1 3 长煤柱 ‘丘 钾日 口一4 ．2 9 哆 三 1 1 2 6 1 绪论 当 窄 煤柱无核区存在时 口 0 ．0 0 9 8 4 删 1 方煤柱 三。1 3 卸尘LI M 1 - 13 2 长方煤柱 卅。钾并一半 匀 ㈨⋯ 3 长煤柱 厶．2 0 研吾三 1 - 1 5 式中1 ，上覆岩层平均容重，姆／m 3 ； H 上覆岩层总厚度，聊； 口煤柱宽度，聊； M 煤柱高度，聊； 三煤柱长度，珑； ， L c 煤柱承载能力，堙； 其它各参数含义同上。 1 ．3 ．3 国内煤柱强度理论 近几十年来，国内学者根据我国煤田的实际情况，在理论与实际相结合 的基础之上，在煤柱设计及其稳定性方面做出了很大贡献，例如，白茅、刘 犬泉提出的大板裂隙理论，基于A 1 1 嘲i f 理论，侯朝炯、马念杰、吴立新和 王金庄发展、完善了极限平衡理论等，这些理论为煤柱设计提供了依据。 1 ．大板裂隙理论“2 叫3 1 大板裂隙理论运用弹性断裂力学理论进行分析，利用的复变函数方法推 导出被视为无限大板中一个很扁的椭圆孔口采空区 沿走向 ，孔口端部煤柱 距煤壁任一距离点的应力计算法，该理论存在以下两个问题煤柱塑性区宽 度总是与煤柱宽度成正比，不符合客观实际；该计算方法仅当煤柱极限强度 高于煤层原始垂直载荷时才有意义。 2 ．极限平衡理论4 1 我国在煤层巷道两帮煤体应力分布和应力极限平衡区方面都有了很大发 展，主要的计算公式有 7 硕士学伊论文 o Ⅳo P 丸肘 1 一1 6 o o 。 c c o t p 卜万一ll o 。 1 ．1 7 ＼／ o t a l l p c c o t P P M c c o t 币 1 1 8 。 志m 毒褊 ㈨Ⅲ o2 万面m 石而商 。1 ” 以上公式中参数同前。 极限平衡理论所述公式都存在两方面的问题 1 认为煤体应力极限平衡区内的o ，、a ．是煤体主应力，而事实上，由 于该区域内的剪应力T 嚣一般不等于零，故不能直接代表主应力，因此，o 工、 o ，不能直接代表主应力； 2 求出的应力极限平衡区内的煤体应力 6 工、a 、t ￡ 不能满足下述 应力微分平衡方程 因此，有的公式中对C 、Q 的含义指代不明，有的认为代表煤层与顶、 底板之间的粘聚力和摩擦角，有时又认为是煤体的粘聚力和摩擦角，而实际 上两者并不相等。． 1 ．4 研究的主要内容 针对一五一煤矿顶板坚硬、地质构造复杂、煤层不稳定等实际情况，运 用条带开采方法进行开采，主要进行了以下研究工作 1 整理分析一五一煤矿的地质资料。根据一五一煤矿的开采历史，选择 条带法开采，解决开采难题。 2 进行一五一煤矿顶底板岩石和煤的岩石力学实验，测定顶底板岩石和 煤的单轴抗压强度、抗拉强度、弹性模量和泊松比等力学参数，为下一步数 值模拟提供参数依据。 3 在国内外煤柱强度理论和极限强度理论中，选用适合于一五一煤矿地 质条件的条带开采理论，计算条带开采合理的采留宽度。 ． R 02 O O | | 丝瑟堡魂 监缸监缸 1 绪论 4 理论分析和计算得到条带开采采留宽度后，结合实验室测试一五一煤 矿顶底板和煤的物理力学参数进行数值模拟，分析采留宽度的合理性。 5 应用于现场，在一五一煤矿的实际应用中验证采留宽度的合理性。 1 ．5 研究方法 本文为了把条带法应用于一五一煤矿难采煤层，利用现场采集样本、实 验室测试的方法，进行顶底板岩性和煤试样的力学参数测试，确定顶底板岩 石和煤的单轴抗压强度，抗拉强度，弹性模量和泊松比等力学参数；利用传 统理论，分析条带煤柱强度、塑性区宽度，条带煤柱应力分布的一般规律， 并从中找出适合于一五一煤矿的条带开采理论公式，确定出合理的条带煤柱 的宽度，运用计算机软件数值模拟的方法确定出开采条带的最大宽度综合 分析安全生产和回采率两方面因素，综合确定合理的采宽和留宽；运用工业 性试验的方法验证理论分析和数值模拟的正确性。 9 硕十学伊论文 2 条带煤柱理论性分析 2 ．1 条带煤柱应力分布的一般规律 条带煤柱应力分布受多种因素的影响。由于不同的地质条件、地层结构、 处理顶板的方法、煤层倾角等影响，煤柱应力分布呈现出不同的形式。 煤柱存在一定宽度的塑性区和一定宽度的弹性区，在不同大小的上覆岩 层载荷作用下，塑性区和弹性区应力分布曲线是不同的，而且不同位置的煤 柱和同位置的不同方向的煤柱受力状态也各有不同，是一个动态过程，随着 时间的推移塑性区宽度和弹性区宽度在不停的变化着，弹性区宽度在不断的 减小，塑性区宽度在不断的增加，同时，塑性区与弹性区交界处的两侧应力 峰值也在升高，而且向煤柱的中心位置移动，煤柱强度达到极限时，煤柱突 然破坏，承载能力突然下降，煤柱溃败。煤柱应力分布形态如图2 ．1 所示。 1 在煤矿工程中，在回采工作面形成之前，煤层没有受到采动的影响， 上覆岩层载荷以自重应力存在，均布作用在每层煤上如图2 1 a 所示。 2 如图2 ．1 b 可知，工作面回一段时间后，煤柱的一侧为采空区， 一侧存在实体煤岩，在上覆岩层支承压力作用下，采空区一侧煤柱从边缘到 煤柱一定深度，煤柱的应力是从零逐渐升高，达到一个最大值且一般小于煤 柱的极限强度；随着向煤体纵深深度的增加，煤柱应力又从最大值逐渐降低 到原岩应力值。 3 如图2 ．1 c 可知，两侧已采空的条煤柱，在保持稳定的支承状态 下，从煤柱边缘到中心，煤柱呈现出塑性区和弹性区 核区 两个区域，煤 柱上垂直应力呈“马鞍形“ 分布，塑性区和弹性区承受的载荷高于原始应力， 最大载荷出现在两区域的交界处；煤柱围岩强度明显降低，载荷也低于原始 应力，边缘支承应力为零。 4 如图2 ．1 d 可知，两侧已采空的条带煤柱，在上覆岩层和开采扰 动的影响下，煤柱应力分布继续变化，煤柱塑性区宽度不断增大，弹性区宽 度不断减小，应力逐渐升高，煤柱应力分布曲线关于煤柱中心对称分布，煤 柱中心应力值小于煤柱峰值，应力分布成“极限马鞍形“ 。 5 如图2 1 e 可知，两侧已采空的条带煤柱，在上覆岩层、开采扰 动和煤柱内部结构 如节理、裂隙等 继续影响下，塑性区宽度继续增大， 弹性区宽度继续减小，弹性区中心应力达到煤柱极限强度，弹性区应力分布 1 0 2 条带煤柱理论性分析 均匀，煤柱应力分布形成“平台形”，此时煤柱处于临界失稳状态，弹性区应 力继续增加煤柱就会迅速失稳。 6 如图2 ．1 f 可知，随着时间的推移，条带煤柱两侧的塑性宽度继续 增加，弹性区的宽度减小到零，弹性区消失，煤柱两侧塑性区相互两通，煤 柱中部位置应力达到一个峰值，而且大于煤柱的极限强度，煤柱逐渐破坏， 失去稳定，这时，煤柱的应力曲线是以峰值为对称轴的“拱形”曲线分布。 7 在图2 ．1 f 的基础上，图2 ．1 g 煤柱开始进入蠕变状态，煤柱 的支承能力不断下降，应力峰值也不断减小，应力曲线不断下沉，煤柱整体 承载上覆岩层的能力大大减弱，最终煤柱溃败瘫痪。 从上叙述可以看出，条带煤柱能支承上覆岩层载荷而且处于稳定状态的 应力分布属于“马鞍形“ ；“平台形”应力分布是煤柱稳定到失稳的分界点， 当煤柱支承应力小于“平台形”曲线峰值时，煤柱处于稳定状态，煤柱支承 应力大于“平台形”曲线峰值时，煤柱逐渐破坏，变形失稳，“拱形“ 应力分布 是煤柱失稳或屈服的重要特征。 a 采前均布载荷 J ‘f Ⅵ 气T 娴， x 妒 彳 f ＼ ，7 ’1r7 ，丫，1T， I k 丫H ／ ／ ／I1 ／ 『|‘h H I 厂l ＼ k - 一一 ／J ’ ＼ r1『T 1r 1『 『， 『 { - H l d 周围采动影响“极限马鞍形”应力分布 e “平台形“ 应力分布 ／彳腻、 f “拱形”应力分布 g “拱形’’瘫痪 图2 ．1 条带煤柱应力分布形态演变过程 F i g ．2 - 1s t r e s s e sa c t i n go ns t r i pp i l l a r ’ss t r e s sd i s t r i b u t i o na n g0 b s e r v a t i o n 1 1 硕十学伊论文 一五一煤矿顶板由含砾砂岩、含砾凝灰质粗砂岩和凝灰岩等组成，形成 特殊的坚硬项板。煤的单轴抗压强度2 4 ．4 5 M P a ，煤层强度较高。因此，一五 一运用条带开采，确保条带煤柱长期保持稳定，条带煤柱的演变过程只有前 四个阶段。 2 ．2 条带煤柱强度与破坏形式 2 ．2 ．1 煤柱与围岩的关系 煤柱与顶底板的相互作用关系受很多因数的影响，其中煤柱与顶底板间 的结合力和刚度是相互影响的，其比值对煤柱与顶底板的相互作用起决定性 作用。煤柱与顶底板的相互作用有以下几种情况n 引 1 整体连接煤柱与顶 底 板的界面性质相同，也就是顶 底 板保 留了一定厚度的煤层，不是全厚开采煤层。 2 干摩擦和非整体连接煤层与顶 底 板的界面存在结合力时，煤柱 与顶 底 板性质不相同，煤层是一次采全高。 3 塑性夹层连接煤层与顶 底 板之间有地质弱面。 4 组合连接煤层所处的地质条件复杂，煤柱与顶 底 板之间的相互 作用关系在连接面上可以随意组合，体现出不同的作用关系。 煤柱与顶底板的相互作用关系影响煤柱的变形特征，如图2 ．2 和图2 ．3 所示n6 1 ，体现了煤柱理想状态下的变形特征，如图2 2 a 所示，煤柱与顶 底板的界面产生相互作用，在界面上产生了结合力，此时，可用如下表达式 体现煤柱与顶底板的结合力。’ 尸 C 占 f 口 2 - 1 P C Ⅳ 0 2 - 2 式中C 。整体的内聚力； f R 内摩擦角； C Ⅳ非整体的内聚力； f Ⅳ外摩擦角。 如果在煤柱与顶底板的界面上存在力P 的作用时，作用力P 使煤柱上下 界面附近煤体横向变形扩展受到阻止，随着远离界面，力P 阻止横向变形的 作用效果急剧下降，煤体变形逐渐增大，到煤柱中心水平切面达到最大变形， 如图2 。2 b 虚线所示。 在力P 的作用下，限制了煤柱与顶底板界面附近的煤体横向变形，这时， 1 2 2 条带煤柱理论性分析 界面附近的煤柱煤体受三向应力的影响，形成压缩区；在平面图形中煤柱体 现出双向应力的作用，煤柱在应力G ，和6 ．的作用下形成压缩区。 如图2 ．3 c 所示，煤柱与顶底板的界面是由地质弱面构成，如粘土等 软弱岩层，在这种情况下，P 逐渐减小到零时，煤柱只受到Z 方向单向压缩， 压缩区消失；P 减小到零使煤柱的横向变形不受到任何阻碍，横向变形量加 大，煤柱变形后如图2 3 d 虚线所示。 a b 图2 ．2 界面有结合力时煤柱的理想变形特征 F i g ．2 - 2T h ei d e a ld e f o r m a t i o nc h a r a c t e r iS t i c so fc o a lp i l l a r sw h e n t h ei n t e r f ．a c ei sB o n d i n g c d 图2 ．3 界面无结合力时煤柱的变形特征 F i g ．2 - 3T h ed e f o n n a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fc o a lp i l l a r sw h e n t h ei n t e r f ．a c ei sn o tB o n d i n g 2 ．2