胜利煤矿井下留设煤柱蠕变规律与稳定性研究.pdf

分类号T U 4 5 U D C 6 2 4 ㈣9 9 ㈣7 9 4 ㈣3Y 2 学校代码 10 14 7 密级 硕士学位论文 胜歪l J l 煤破麸正留谩煤桂蠕变规焦 与稳定性研究 S t u d vo nS t r i pC r e e pL a wa n dS t a b i l i l X 鳢．S ] I 姬．J 三l 氍I j I 。 ⋯⋯⋯⋯- ⋯⋯⋯⋯⋯⋯- ⋯⋯⋯⋯⋯- ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯- ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯～ ⋯P ⋯i l ⋯l a ⋯r ⋯．婴曼迪e ．j g ￡Q 臻职鱼．．1 1 ．e 曼燃i ．C Q 癸l ⋯M ⋯⋯i ⋯n ⋯e 作者姓名 指导教师 申请学位 学科专业 研究方向 查殛 广皿 杨逾 工学硕士 防灾减灾工程及防护工程 矿山沉陷灾害理论与控制技术 辽宁工程技术大学 万方数据 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者及指导教师完全了解辽室王程这苤太堂有关保留、 使用学位论文的规定，同意逗室王猩撞苤太堂保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，学校可以将学 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、汇编本学位论文。 保密的学位论文在解密后应遵守此协议 学位论文作者签名厂参量 Ⅻ【年6Rf o E t 导师签名垃 万方数据 致谢 本文研究内容依托于国家自然科学基金项目复杂应力状态下条带煤柱的延时特性研 究．基金编号5 1 2 7 4 111 。主要研究浅埋深条带小条带开采煤柱的蠕变特性。 感谢我的导师杨逾教授对我在论文写作过程中的指导与帮助，以及在生活中无微 不至的关怀。在这近三年的研究生生活中，我的杨逾教授不仅在学术研究上为我指点迷津， 更在个人生活中给予帮助，还给我提供了宽裕的学习条件。在这短短的三年中，我从导师 身上学到了很多宝贵的东西，这将使我终身受用。在此，谨向我的导师致以深深的谢意。 最要感谢的是我的父母，感谢您们对我学业的支持与理解，是您们的无私为我创造了 良好的学习条件，让我能够安心完成学业，感谢您们多年以来对我精神上的鼓励和物质上 的支持。 感谢师兄周小科、梁鹏飞，师妹张培兰，师弟田瑞冬、郭锐、陈东宇和郑志明，感谢 你们在这两年中的陪伴与支持。感谢土木研1 2 级全体同学，特别是闰宣澎、滕飞、吕金 伟和张成，同窗三年我收获了真挚的友谊，感谢你们在生活中给我的鼓励。与你们相识是 我人生中最大的财富，在此送给所有人我最诚挚的祝福 最后感谢各位专家老师和评委老师在百忙之中审批我的论文，感谢文中引用内 容的作者，由于本人水平有限，论文难免有纰漏之处，感谢各位老师提出的宝贵意 见，让我在以后的学习和工作中能够拓宽思路，能够更好进行研究。 万方数据 摘要 三下开采留设的煤柱对于地表生态环境和构筑物的保护起到至关重要的作用，利用条 带式开采方式进行煤层开采时，煤柱应力状态比较复杂。煤柱一旦失稳将会造成巨大损失。 因此研究复杂应力状态下留设煤柱的稳定性具有重要的意义。 本文主要是基于蠕变理论研究条带煤柱的蠕变力学性质，进而研究煤柱的长期稳定性 和时间的相依性。通过现场调研、理论研究和F L A C 3 D 模拟等手段，对条带煤柱进行蠕变 研究，并对煤柱的长期稳定性进行分析。 应用F L A C 3 D 有限差分软件结合改进的B u r g e r s 模型条带煤柱的蠕变特性进行数值模 拟研究。通过模拟研究，得到了浅埋深小条带煤柱的蠕变特性，对条带煤柱长期稳定性进 行评价。 关键词条带开采；力学特性；F L A C 3 D 数值模拟；蠕变；长期稳定性 万方数据 A b s t r a c t T os e tt h et h r e ep i l l a rm i n i n gu n d e rt h ei m p o r t a n tr o l ei n t h ee c o l o g i c a le n v i r o n m e n ta n d p r o t e c t i o no fs t r u c t u r e s ，t h eu s eo fs t r i pm i n i n gw a y o fc o a lm i n i n g ，c o a lp i l l a r s t r e s ss t a t ei sm o r e c o m p l e x ．O n c e t h ei n s t a b i l i t yo fc o a l p i l l a rw i l l c a u s eg r e a tl o s s ．S ot h er e s e a r c hh a s i m p o r t a n t s i g n i f i c a n c eo fc o m p l e xs t r e s ss t a t eo f t h es t a b i l i t yo fc o a lp i l l a r ． T h i sp a p e ri sm a i n l yt h ec r e e pm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fc r e e pt h e o r yo fs t r i pc o a lp i l l a rb a s e d o nd e p e n d e n c y ，l o n g - t e r ms t a b i l i t ya n dt i m ea n dt h e ns t u d yt h ec o a lc o l u m n ．T h r o u g hf i e l d i n v e s t i g a t i o n ，t h e o r e t i c a ls t u d ya n dF L A C 3 Ds i m u l a t i o nm e t h o d ，r e s e a r c h i n gt h ec r e e po fs t r i p c o a lp i l l a r ，a n dt h el o n g - t e r ms t a b i l i t yo ft h ec o a lp i l l a ra r ea n a l y z e d ． A p p l i c a t i o no fF L A C 3 Df i n i t ed i f f e r e n c es o f t w a r eb a s e dB u r g e r sm o d e li m p r o v e d 、 ，i ma c r e e pc h a r a c t e r i s t i c so fc o a lp i l l a rw a ss t u d i e db yn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ．T h r o u g hs i m u l a t i o n s t u d y ，o b t a i n e dt h ec r e e pc h a r a c t e r i s t i co fs h a l l o wb u r i e dd e p t ho fs m a l ls t r i pc o a lp i l l a r ，c a r r i e s o nt h ea p p r a i s a lt ot h es t r i pc o a lp i l l a rl o n g - t e r ms t a b i l i t y ． K e yW o r d s S t r i pm i n i n g ；M e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ；F L A C 3 Dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；c r e e p ； l o n gt e r ms t a b i l i t y 万方数据 目录 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．I A b s t r a c t ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．I I 目录⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．I I I l绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．1问题的提出⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．2 研究目的与意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 1 ．3国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 1 ．4主要研究内容和技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 2条带开采煤柱长期稳定性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 2 ．1条带煤柱受力分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 2 ．1 ．1条带煤柱的应力分布⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 2 ．1 ．2条带煤柱破坏机理研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 2 ．1 ．3条带开采留设煤柱破坏机理分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 2 ．2煤柱的长期稳定性影响因素分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 2 ．2 ．1煤柱强度与极限强度确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 2 ．2 ．2煤柱塑性区宽度⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 2 ．2 ．3煤柱的尺寸⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 4 2 ．2 ．4煤柱的时间效应⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯15 2 ．3本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 6 3煤岩的蠕变模型与本构方程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 7 3 ．1 蠕变理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一17 3 ．2蠕变理论的典型组合模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 9 3 ．2 ．1蠕变基本组合模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 0 3 ．2 ．2B u r g e r s 模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 0 3 ．2 ．3 改进的B u r g e r s 模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 2 3 ．3本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 3 4 研究区概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 4 4 ．1采区概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 4 万方数据 4 ．2开采条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一2 5 4 ．2 ．1地质构造⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 5 4 。2 ．2 煤层概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 6 4 ．2 ．3地层⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 6 4 ．2 ．4 地表建筑物概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一2 7 4 ．3本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 8 5煤柱长期稳定性数值分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 9 5 ．1煤岩蠕变模型确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 9 5 ．2煤岩蠕变参数确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯一⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 3 5 ．3 煤柱蠕变特征数值模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一3 3 5 ．3 ．1 三维模型确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 3 5 ．3 ．2边界条件确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一3 6 5 ．3 ．3岩体力学参数选取⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 6 5 ．3 ．4F L A C 3 D 数值计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 6 5 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 6 6 结论和展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 7 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 8 作者简历⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5l 学位论文数据集⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 2 万方数据 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1绪论 1 ．1问题的提出 2 0 0 3 年至2 0 1 4 年我国原煤产量由1 1 ．0 6 亿吨猛增到3 2 ．4 亿吨。中国煤炭资源预测资 源量达4 ．5 5 万亿t ，潜力巨大，但在近期可供找煤普查的埋深小于1 0 0 0m 的预测可靠级煤 炭资源量只有9 1 6 9 ．1 0 亿t 。而我国“三下” 建筑物下、铁路下、水体下 压煤严重，仅 统配煤矿的生产矿井“三下”压煤就达1 3 7 ．9 亿吨。同时，我国国有煤矿回采率与国外相 比还有一定差距，一般在5 0 ％或者略高至6 0 ％，小煤矿煤炭资源回采率仅在1 5 ％- 一2 0 ％， 国有煤矿采用传统条带开采“三下”压煤的采出率只有4 0 ％左右，从此可以看出，我国煤 矿煤炭资源回采率整体水平还有待提高。因此，如何高效安全地解放“三下”压煤并提高 回采率成为煤矿企业急需解决的重大技术难题。 煤炭在我国作为一次性能源中占据重要的位置，占一次性能源生产和消耗量的7 0 ％以 上。据估计，2 0 2 0 年、2 0 5 0 年的我国的原煤产量仍将分别占一次性能源比重的6 8 ％和5 0 ％ 左右，这一能源结构在未来的五十年里基本不会改变【l 】。 迄今为止，对煤岩体破坏规律的研究大致经历了三个阶段。二十世纪中叶以前、二十 世纪中叶N - - 十世纪八十年代、二十世纪八十年代到目前为止。在第一个阶段进行围岩煤 柱等的计算分析时主要采用的是弹性和弹塑性等线性理论。在二十世纪中叶之后，最先应 用于材料方面的流变力学理论开始进入到岩土工程流域，这为岩土工程中的流变现象提供 了可靠理论依据。第二阶段后期，煤柱流变研究空前活跃。八十年代以后，流变分析成为 了岩土工程研究的主流之一。“三下”开采留设煤柱不同于一般煤柱，其需要支撑上覆岩 层，并保证对地表的影响不会引起建构筑物的安全，并且随着时间的推移，难以保证煤柱 初始强度，因而与长期稳定性息息相关的蠕变理论的研究成为工程发展的必然。 由于煤矿的开采，导致岩层移动和地表沉陷的覆岩破坏和对环境造成严重的影响。从 全国范围看，每年因矿山地质灾害而引起总体损失不亚于一次地震或洪水带来的损失【2 J 。 为保护地表建筑物，矿井中通常会留设一定尺寸的煤柱，将上覆岩层移动和地表下沉 值控制在允许范围之内。这些煤柱是矿井安全生产的核心，其稳定相对于煤矿安全生产十 分重要，同时也是保证地表环境的重要支撑。根据当下我国基本情况，地下煤矿资源的开 采需求正在增大，煤柱稳定性及对地表影响越来越受关注，井下开采煤柱的蠕变特性为煤 柱的长期强度提供理论依据。 因此，对煤岩体蠕变特征进行研究很有必要，尤其是关键问题，如覆岩移动规律、煤 柱破坏机理及地表变形计算理论与模拟等，由于资源的短缺，提高煤炭的回采率很重要， 万方数据 辽宁工程技术大学硕士学位论文 为了解放“三下”煤炭资源，并确保开挖后安全，就必须进行采煤长期稳定性分析，而 作为安全关键环节的煤柱稳定性尤其需要进行分析和研究，因此研究煤柱长期稳定性问 题，如留设煤柱的力学特性在长期荷载作用下的变化规律研究以及煤柱在充填状态下变形 规律研究等，更需要进行适应新形势新时代的深入探讨。所以本文提出了条带开采煤柱蠕 变规律与稳定性的研究。 1 ．2 研究目的与意义 通过对井下开采条带煤柱的长期稳定性进行分析，得出没住的变形规律，进而推测煤 层上方地表的形态变化趋势，以此来分析受开采影响范围内的岩层和地表变形在时间和空 间上的变化规律。 我国部分矿井煤炭资源即将开采完毕，为了延长矿井寿命，满足日益增长的能源需求， 采用各种充填开采新技术和进行大于1 0 0 0 m 的深部煤矿开采己成为解决煤炭需求的主要 途径。而随着采深得不断增加，温度越来越高，压力越来越大，开采难度也越来越大，对 煤柱稳定性的要求也越来越高。 无论是深部煤矿开采、充填新技术开采还是条带式开采，煤柱都是处在复杂应力状态 之下。条带开采中的煤柱，受到很大地应力的影响；充填状态下的煤柱存在围压，且能量 有所释放，应力出现重组；利用条带式开采方式进行煤层开采时，煤柱应力状态比较复杂。 处于这些状态中的煤柱，极容易失稳，且一旦失稳将会造成巨大损失【3 1 。 煤岩体的蠕变对于留设煤柱的稳定性是一个十分重要的问题，若不计煤柱的黏弹塑性 特征，项板应力调整及向采空区的弹塑性收敛变形，应在采空区形成的瞬间全部完成，当 顶板的载荷不超过其强度值，则项板长期稳定，其变形也不会进一步发展。各位专家学者 都认同，随着时间的推移，煤柱强度将降低，当初处于稳定状态的煤柱，可能会在未来不 确定时间破坏，构成不可预知的危险，这在波兰、苏格兰等地区的采煤中都有出现，南非 的煤柱很多也是多年后失稳的【4 】。甚至，在部分煤矿开采方法中，一处煤柱的失稳会引起 周围煤柱的连锁反应，从而导致采空区大面积沉陷，对人类构成直接危害。但在老矿区内 发展其它工业时，将来有可能坍塌的煤柱就成为潜在的灾害源【5 1 。事实说明，煤柱的变形 在开采之初快速增加，之后随时间推移而呈稳定状态，经过较长时间的损伤积累，变形再 次急速增加，最后出现煤柱失稳破坏【6 1 。 同时，由于科学技术未达到空前发达状态，而蠕变试验的复杂性、高消耗性和长期性， 限制了其广泛开展的可能性。而煤柱强度破坏相对容易，耗时较短，因而开展煤柱强度破 坏研究的较多，进行煤柱长期稳定性研究的较少。因此，条带开采煤柱蠕变规律与稳定性 万方数据 辽宁工程技术大学硕士学位论文 研究具有重要意义和良好的应用前景【7 1 。因此为确保煤柱的长期稳定就要考虑煤岩体强度 的延时特性问题，它是复杂应力状态下煤矿开采技术课题的重要研究内容。 1 ．3国内外研究现状 整个世界范围内，研究煤柱长期稳定性的国家主要是多矿产国家。国外许多专家学者 从2 0 世纪初期就开始进行小型的单轴蠕变试验。 1 9 11 年B u n t i n g 提出美国历史上第一个煤柱强度经验公式，他及其同事所采用方法的 基本思路影响了大半个世纪。 1 9 6 5 年G a d d y 通过对比试验研究了试块的尺寸效应。是早期研究尺寸效应的学者。 并且G a d d y 的工作为H o n a n d - G a d d y 煤柱强度公式的出现奠定了基础。 L u P a u l h ． 1 9 8 6 分别在煤矿现场和实验室做了蠕变实验，并提出了煤柱的稳定性计 算方法。 此外，K i o k i w s z e n o r 1 9 9 1 以博格斯模型为理论依据对正在开采的硬煤柱进行稳定 性分析，并取得了显著的效果，从而证明了不只软岩才考虑蠕变性质。 V a n B e s i e n 和R o c k a w a y 1 9 8 8 建立了煤柱所受荷载、煤柱破坏的时间函数模型。 B i s w a s 和P e n g 1 9 9 9 研究了美国各州开采后的煤柱，结果证明留设的煤柱由于暴 露于空气中收到风化作用和应力释放，其强度有所减低，而且煤柱中的岩石成分的强度甚 至降低更多，从而使煤柱的软弱面更加薄弱，势必影响煤柱的长期稳定性。 G r i f f i t h s 和F e n t o nG o r d o n 2 0 0 2 提出了“失稳概率”法，用概率方法描述煤柱的 稳定性。 1 9 6 0 年南非大矿难震惊世界，至此煤柱的稳定性在煤炭届受到足够重视，为了避免科 尔布鲁克 C o a l b r o o k 矿难的重演，南非开始对煤柱的稳定性进行研究，并开始研究煤柱 的稳定性问题，七年间M u n r o 和萨拉蒙 S a l a m o n 搜集了2 7 个失稳煤柱的数据。1 9 9 3 年M e r w e 范德莫维 进一步完善了失稳煤柱的数据库，到2 0 0 6 年共收集到了7 5 个失稳 煤柱以及大量稳定煤柱的数据【8 】并经行了分析。 S a l a m o n 等人 1 9 9 8 基于统计数据采用煤柱原始尺寸来预测合理的煤柱设计方法和 预测煤柱的失稳时间，并编写为程序，但该程序不适用于己经片帮的煤柱【9 1 。 在印度，S h e o r e y 等人，对一些煤柱的失稳过程进行了分析，同时和稳定的煤柱进行 比较，得到了一个公式。此公式反映了煤柱尺寸和安全系数之间的关系。 V a nd e rM e r w e 2 0 0 3 基于南非失稳煤柱数据库，对不同地质条件、不同煤层的片帮 速度、采深等因素进行了深入的研究，提出了煤柱在长期荷载作用下稳定性预测的方法。 万方数据 辽宁工程技术大学硕士学位论文 利用该方法对失稳的煤柱进行拟合，所得出的结果与实际情况基本符合，在此基础上，他 提出了对于研究煤柱长期稳定性具有重要意义的S a l a n l o n 煤柱强度公式【1 0 1 。 德国的A l b e r 和H e i l a n d 2 0 0 1 提出了将各种手段相结合的方式来综合研究煤柱长期 稳定性是必然趋势，并采用断裂力学理论研究了矿柱等的应力历史等问题【1 1 1 。 俄国的L ．A ．N e b e r o v 等人【1 2 1 2 0 0 6 以岩石的蠕变理论为依据对铜矿进行了稳定性分 析，并指导了铜矿的开采。 目前国际对于煤柱长期稳定性时间的计算，多采用经验公式，理论模型研究已经成熟， 数值模拟还处在研讨阶段，总之，对煤柱稳定性时间效应的研究也主要是从经验和统计出 发。而且他们所研究的煤柱都是规则的。国内对煤柱稳定性的研究采用的方法主要有数值 计算、相似材料模拟试验、现场观测和理论分析【1 3 】。 石平五等 2 0 0 6 在进行条带保水开采研究时提出只有保证煤柱煤层的长期稳定性才 能保证地下水和工程的安全【1 4 】；陈绍杰等人 2 0 0 5 ，2 0 0 8 结合室内岩石力学性质试验， 通过理论分析和模拟相结合，取得了一些成果[ 1 5 1 。 白矛和刘天泉等人在二十世纪八十年代将相似材料的模拟方案应用到煤柱稳定性的 研究当中。杨伟峰等 2 0 0 5 对煤柱的影响因素的相互作用机理进行了分析，并对做出了 综合的稳定性评价体系【1 6 1 。刘贵等 2 0 0 8 在煤矿开挖深度不断增加的形式下研究了我国 深部煤柱的稳定性【1 7 】。 在煤柱稳定性分析方面。李东升等 2 0 0 3 基于连续介质理论，对煤柱的稳定性进行 了理论分析。柴华彬 2 0 0 7 在进行条带煤柱开采研究中将弱面作为煤柱失稳的关键因素 【1 8 】。刘彩平等 2 0 0 8 通过模糊理论探究了煤柱的相关系数的影响因子【1 9 】；谢宗保 2 0 0 8 提出支护可以提高条带煤柱的稳定性【2 0 1 。 王连国等 2 0 0 6 ，提出了条带煤柱破坏宽度的计算公式【2 I J ；高玮 2 0 0 8 对将弹塑 性分析引入到煤柱长期稳定性研究中【2 2 1 。 国内对时间影响下的煤柱长期稳定性研究较少。目前只有吴立新 1 9 9 7 等对河北 某矿煤岩进行了蠕变试验【2 3 】，姚爱军等 2 0 0 3 通过对厚煤柱的试验研究，分析了围压等 地质条件对煤柱的稳定性影响，评价了煤柱的蠕变特性和长期强度；徐金海 2 0 0 5 引入 最小势能原理，推导了煤岩体的蠕变本构关系。徐思朋等 2 0 0 6 以统一强度理论和弹粘 塑性理论为基础来评价煤柱的长期强度，最终得到了煤柱的弹性区和粘塑性区的位移分 布、应力分布以及粘塑性区宽度的理论公式【2 4 】。 国内，陈宗基率先将流变力学应用到岩土工程中，并通过大量试验验证了这一点，随 后刘雄对国外提出的岩石蠕变模型本构方程进行了研究。刘宝深、孙钧【2 5 】等却在原有模型 万方数据 辽宁工程技术大学硕士学位论文 的基础上进行了改进，提出各自的理论，为我国蠕变研究提供了宝贵资料。他们提出了一 些用来确定蠕变模型参数的方法，这些方法一直被很多人采用【2 6 】。 郭增长1 9 9 4 年应用有限元发研究了条带开采煤柱的应力分布，并根据计算结果给出 了条带柱强度计算公式和煤柱保持长期稳定性的条件。 邹友峰在1 9 9 5 年以弹塑性理论为基础，研究出条带煤柱上应力分布规律，并首次提 出以条带煤柱宽度和屈服带宽度为根据，来确定条带开采的安全系数。在2 0 0 4 年，根据 煤岩加速蠕变阶段的力学特性，以非线性牛顿体代替了线性牛顿体，改进了煤岩体粘弹性 模型，并导出改进模型的本构方程和简单应力状态下的蠕变方程1 2 7 】。 高延法2 0 0 5 年通过单轴压缩蠕变试验分析，并建立了非线性蠕变模型。将硬化函数 和损伤变量应用到非线性蠕变中，并建立软岩非线性蠕变模型。指出第一类蠕变产生的原 因是岩石的硬化。二类蠕变曲线的加速蠕变和试件损伤造成的。同时，该非线性蠕变模型 可以用一个统一方程来描述软岩蠕变过程的3 个阶段[ 2 8 】。2 0 0 7 年采用陈氏加载进行了单轴 蠕变试验，通过实验资料发现了径向蠕变特性。同时认为蠕变中的某个或某些常量在蠕变 的过程中发生了改变【2 9 1 。 1 ．4 主要研究内容和技术路线 由于科学技术未达到空前发达状态，而蠕变试验的复杂性、高消耗性和长期性，限制 了其广泛开展的可能性。而煤柱强度破坏相对容易，耗时较短，因而开展煤柱强度破坏研 究的较多，进行煤柱长期稳定性研究的较少。本文以黑龙江省七煤集团胜利煤矿一采区十 二井为工程背景，对条带开采煤柱蠕变规律与稳定性进行研究，具体研究内容如下 1 在总结前人研究资料和理论成果的基础上，对蠕变理论进行理论研究。并应用 到煤柱长期稳定性分析中。 2 通过现场调研，分析胜利煤矿一采区9 0 煤层的条带煤柱稳定性。 3 通过对模型的适用条件、本构方程进行考察，得出适合于煤岩蠕变特性的蠕变 模型和本构方程。采用F L A C 3 D 有限差分软件进行数值模拟，加入时间参数，尝试得出煤 柱长期稳定性与蠕变特性的相互关系。最后对煤层开采后煤柱的长期稳定性的进行判定。 万方数据 辽宁工程技术大学硕士学位论文 。j⋯。．。 圈一 豳● 图1 ．1 研究技术路线图 F i g ．1 ．1s t u d yo fT e c h n o l o g yR o a d m a p 本文以黑龙江省七煤集团胜利煤矿一采区十二井为工程背景，通过现场实地调研对一 采区十二井进行地表稳定性分析，并通过煤岩蠕变理论的学习与研究，结合强大的数值模 拟软件F L A C 3 D 对条带开采煤柱稳定性进行了分析。 万方数据 辽宁工程技术大学硕士学位论文 2 条带开采煤柱长期稳定性分析 在铁路下和建筑物下对煤矿进行开采中，条带开采被广泛应用，因为条带开采能够有 效的控制地表下沉，煤柱对煤层上覆岩层有很好的支撑作用。条带开采受力较复杂，顶底 板的移动都会对煤柱，环境的改变等对会对条带煤柱产生影响。此外，由于多煤柱共同承 受上覆荷载，一旦某一煤柱失稳既有可能造成群体失稳即“多米诺效应”，因此研究煤柱 的长期稳定性，确定各影响因素的干扰因子，对于保护岩层，减少对地表沉降和地表建构 筑屋的影响具有重要意义。 2 ．1 条带煤柱受力分析 2 ．1 ．1 条带煤柱的应力分布 一般认为井下留设的条带煤柱中可分为屈服区和核区两部分，屈服区也成为塑性区， 而核区则受到屈服区的约束【3 0 】。 当煤层开采完毕形成条带煤柱时，由于留设的条带煤柱宽度不同，煤柱内部屈服区和 核区的分布也不同，一般认为窄煤柱的宽度约为1 ～7 m 。较宽的条带煤柱和较窄的条带煤 柱弹塑性变形及应力分布如图所示。 塑性区 r H 核区 塑性区 ‘ra Cd 1 y 一 一d 一矿 1 F ’ 图2 ．1 较的宽留设煤柱弹塑性变形区及应力分布 F i g ．2 ．1E l a s t i c p l a s t i cd e f o r m a t i o nz o n ea n ds t r e s sd i s t r i b u t i o no fw i d ec o a lp i l l a r 万方数据 辽宁工程技术大学硕士学位论文 塑性区 b ；坍核区， 塑性区 1 c d g d c 一 ’ 飞’ ’ Y ’ 图2 ．2 较窄的留设煤柱弹塑性变形区及应力分布 F i g ．2 ．2P l a s t i cd e f o r m a t i o nz o n ea n ds t r e s sd i s t r i b u t i o no fn a r r o wc o a lp i l l a r 以上二图中，b 为片帮区；c 为松弛区；Y c 、d 为塑性区；e 为弹性区 核区 ； 丫为上覆岩层容重；H 为采深；0l 为煤柱极限强度；0 为煤柱承受应力；a 为煤柱宽度。 由图2 ．1 可知，采空区留设条带煤柱较宽时，从煤柱两侧到煤柱中心部位，依次为片 帮区、松弛区、塑性区以及弹性区。煤柱的片帮区一般承受竖向应力，因为其围岩己松动 破坏甚至垮落，但该区域可传递水平应力。在松弛区域内部的岩体受压力作用发生位移， 岩体强度明显减弱，故该区域所能承受的荷载要小于初始应力。松弛区也被称为卸载区或 应力降低区。塑性区 d 和弹性区为条带煤柱承受上部荷载的主要区域，它们所承受的 荷载要高于初始荷载，所以也被称为应力升高区。整个条带煤柱中，最大竖直应力位于塑 性区与弹性区的交界处，且最大应力值接近4 ∥。 由图2 ．2 可知，采空区留设条带煤柱较窄时，其应力趋向均匀分布，从煤柱两侧到煤 柱中心部位，依次为片帮区、松弛区和塑性区。煤柱中心部位弹性区很小甚至没有，并且 整个条带煤柱都存在塑性变形，因此窄条带煤柱的长期稳定性较低，容易发生破坏。 从宽、窄煤柱的弹塑性变形区及应力分布可知，为了保持条带煤柱的强度和稳定性， 在条件允许的情况下，条带开采留设。 2 ．1 ．2条带煤柱破坏机理研究 目前应用于煤柱稳定性的理论还存在不足之处，尤其是煤柱长期稳定性理论虽然取得 一定成果，但是多来自试验室，真正能指导和应用到工程实践的成果不多，这与科学技术 的发展和煤矿所处的特殊环境有关。 关于煤柱各方面的理论已经研究很久，主要包括煤柱荷载理论，煤柱强度破坏理论， 煤柱稳定性理论、煤柱充填及支护理论等。煤柱承受荷载方面的理论有压力拱理论、有效 区域理论、A ．H ．w i l s o n 两区约束理论 即渐进破坏理论 等【3 l 】，用于分析煤柱强度的理论 万方数据 辽宁工程技术大学硕士学位论文 也有很多，如核区强度不等理论、大阪裂隙理论以及极限平衡理论等。煤柱的稳定性理论 有蠕变理论，损伤理论，尖点突变理论等。充填支护理论有新奥法理论、锚杆支护理论等 p 2 1 。 在井下煤矿开采过程中，采用条带开采或其他开采方法时，留设的煤柱将承担来自项 板以上覆岩施加的巨大荷载，随着采掘范围的不断增大，煤柱所承担的压力也会逐渐增大， 当条带煤柱边缘承受的应力达到峰值强度后，进入屈服阶段，此时煤柱的力学性质发生了 明显变化，其抵抗变形的能力随变形的增加而减小，呈现出应变软化现象，应变软化性质 越强，屈服带宽度越宽，煤柱屈服区的软化刚度越大，越易发生突变失稳。随着时间的推 移，煤柱会发生蠕变现象，进而进入屈服状态，最后可能会失稳而坍塌破坏，由此可以看 出，煤柱强度的长时效应应该引起重视，要把煤岩的流变特性放在研究范围内才能确保煤 柱的长期稳定性，煤岩的流变特性是“三下”安全开采技术领域的重要研究课题【3 3 1 。． 2 ．1 ．3 条带开采留设煤柱破坏机理分析 煤柱的破坏是指承载的荷载到达或超过其极限承载力，导致结构失去其稳定状态，煤 柱的破坏主要有三种形式 1 存在端部约束效应，如同试验机上的端部摩擦效应一样， 在顶板和底板煤柱在中间岩体破坏之后仍可保证其整体性，如图3 ．1 a 所示， 2 发生片 帮破坏，对于厚大煤柱，存在较宽的弹性核区，但是在煤柱体中越靠近外部，塑性体现越 明显，加上煤柱节理裂隙等，煤柱很容易片帮，而后一层层开始发生破坏如图3 ．1 b 。 3 煤柱的塑性区贯通导致煤柱失去承受上部荷载的能力，从而发生破碎。如图3 ．1 c a b c 图2 ．1 煤柱破坏形式 F i g ．2 ．1D a m a g ei nt h ef o r mo fc o a lp i l l a r 煤柱的性状尺寸不同，煤柱的应力分布也不同，不过无论是那种破坏都因煤柱的应力 超过其屈服极限所致。与煤柱破坏三种形式对应的应力分部如图3 ．2 所示 万方数据 辽宁工程技术大学硕士学位论文 。r V 冀 一灸 阑 b 图2 ．2 煤柱破坏形式 F i g ．2 ．2D a m a g ei nt h ef o r mo fc o a lp i l l a r 2 ．2 煤柱的长期稳定性影响因素分析 煤柱稳定性是指在一定时期内，在特定的地质结构和应力作用下，煤层开采结束后留 设煤柱的内部应力重新分布进而发生了变形或产生裂隙，但并不产生破坏的跨落和滑动。 开采完成后在长期集中应力、后期风化及水侵蚀等条件作用下，易使条带煤柱强度弱化， 从而使煤柱失稳，导致地表形成裂缝、塌陷坑等不连续变形。煤柱应当看成顶板一煤柱一 底板整体中的一部分，更进一步讲，煤柱应放在整个开采系统中，这一系统包括煤柱、巷 道、围岩和煤层与围岩之间的接触面。煤柱的失稳是由顶、底板的失稳逐渐发展引起的。 开采引起岩体内载荷的变化，当载荷增加时，煤柱边缘开始跨落，而煤柱中心部分承受了 附加载荷。这种煤柱边侧的屈服或跨落，都将导致其缓慢或突变性的失稳。迄今为止，有 关煤岩标准试件的实验和煤柱长期强度及稳定性的规律，在世界上仍缺乏深入的实验与理 论研究。 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。在地下水侵蚀、风化和其它扰动因素作用下，煤柱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。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，其一是煤柱边缘的屈服带，其二是 被屈服带包围的核心带。若煤柱设计不合理，在地下水和上覆岩层荷载的长期作用下，煤 柱边缘的塑性屈服区宽度逐渐增大、连通，煤柱失去核区，承载能力迅速降低，并以崩塌 或蠕变状态溃屈。 万方数据 辽宁工程技术大学硕士学位论文 2 ．2 ．1煤柱强度与极限强度确定 煤柱强度，是指煤柱在一定时期内能够支撑上覆岩层的能力，是描述煤柱的形态效应 的指标，大多需要由现场实测获取；煤柱的极限强度，是指煤柱在竖向荷载的长期作用下 峰值应力点所能到达的应力极限。 1 煤柱强度 煤岩的强度和煤柱的设计尺寸都与煤柱的强度有直接关系，煤柱的内部结构，煤柱的 顶、底板与其粘结力，煤层倾向与围岩岩性，井下开采方法和荷载作用时间等因素也