保护煤柱条带开采法优化设计及工程实践.pdf

Vol. 29 , No. 6 June 2020 第29卷第6期 2020年6月 中国矿业 CHINA MINING MAGAZINE 保护煤柱条带开采法优化设计及工程实践 姚俊耀，左迪 （中赞国际工程有限公司，河南中赞国际工程有限公司，河南 郑州郑州450007） 摘要为确保保护煤柱回收时井筒、井底车场及爾室等井巷工程以及地表建筑物、构筑物的安全，有效 控制工业广场的沉降，延长矿井服务期限，采用条带开采法回收保护煤柱。在工程类比法的基础上，综合 考虑煤柱的稳定性和资源回收率，采用基于莫尔-库伦破坏准则的极限平衡理论计算煤柱留设宽度，优化 了条带开采条件下采留比的设计方法，并对特定条件下采场稳定性和地表沉降控制效果进行了考察（为 矿井保护煤柱合理回收提供了新思路（ 关键词条带开采法；采留比；工程类比法；极限平衡理论；条带煤柱稳定性 中图分类号TD822.3 文献标识码A 文章编号1004-4051（2020）06-0145-04 Optimization des ign and engineering practice of protecting coal pillar and trip mining YAOJunya o, ZUO Di Zhong Yun Interna tiona l Engineering Co.Ltd.Zhengzhou 450007China Ab s tract Strip mining ca n effectively control the settlement of industria l squa re, protect the sha ft a nd sha ft sta tion a s well a s others inking a nd driving engineering ma ximumly, so it ha s been widely a pplied in the coa l pilla r recovery. In this pa per, on the ba sis of engineering a na logy , coa l pilla r width is obQa inedby usingQhe ulQima Qe sQrengQhQheory. Overal consideringQhe sQa bili y of coa l pil a r a ndQhe recoveryra Qeofresources, hispa peropQimizesQhedesignmeQhodofsQripminingmeQhoda ndprovidesa new wa yofQhinkinginQhecoa lpila rrecovery. Keywords strip mining ； recovery ra tio； engineering a na logy； ultima te strength theory； coa l pila rsQa biliy 条带开采是在一定区域内，将要开采的煤层划 分成若干规则的条带，采出一个条带,保留一定宽度 煤柱的方法，用以控制采场顶板的沉降及地表的变 形和移动。工程实践及研究表明，条带开采法能有 层的 降, , 控制地 和 , , 保护 地表建、构筑物和生态环境，是矿山“三下”压煤和绿 色开采的重要组成成部分。煤矿生产中，为保证矿井 安全生产、采煤作业的正常运行、工业场地以及井巷 等工程的稳定性，需留设较大面积的保护煤柱（矿 井开采后期，为了延长矿井寿命，提高资源回收率, , 收稿日期收稿日期2019-05-23 责任编辑责任编辑刘硕 第一作者简介第一作者简介姚俊耀（1987 ②煤柱局部屈服时，屈服区视 为弹性极限状态，屈服区内煤岩（体）视为线弹性体； ③煤柱屈服之前位移和变形均为有限小；④屈服区 发生剪切破坏时，剪切面平行于煤层层面；⑤煤柱受 力关于煤柱中性面对称；⑥留设煤柱内不存在显著 弱面。建立如图1所示的直角坐标系，则该条带煤 柱的应力-应变特征应属于典型的平面应力问题「6*。 图1煤柱屈服区宽度力学计算模型 Fig. 1 Mechanical model of the width of yieldregionofcoalpilar 基于以上的假定，屈服区界面应力平衡微分方 程及边界条件见式（5）。 匹.55 _ 0 5 8 5 .互_ 0 ⑸ 5 十 _ 、5 _（c 十 4ztan/） 应力边界条件见式（6）。 〔4n* _ 4]，4 乂 * _ “L4z* _ “4] （6） 可得煤柱屈服区煤柱临界宽度计算见式（7）。 4十」一 B _ M“ n ] ta n。 r p 2ta n n c 十 4 、a n。“ 式中M为煤层采高，m；“为屈服区与核区界面处 的侧压系数，一般“_/（）（为煤岩（体）的泊 松比）；6为煤柱的极限强度，MP a；取绝对值。 由上述公式可知，煤柱不同高度的屈服区宽度 不同，为工程计算需要，可取G1 _ 0.9 _ M/2处的 屈服区宽度予以简化，并引入扰动因子〃以考虑不 同开采方 柱侧 的 。 由于煤层顶板相对比较坚硬，因此顶板的冒落 较少或者可以视为不冒落，在此条件下令45 0,则 式（7）可以简化为式（8）。 M 2 ]a n。7 Md - 2 a n。ln 1 十 41 a n。 c “ 8 式中＜ 为开采扰动因子，＜ 1. 1〜3. 0；其余参数 同。 稳定煤柱中的竖向应力分布形式为“马鞍形, 柱由 核区向屈服区 的临界 分 第6期姚俊耀，等保护煤柱条带开采法优化设计及工程实践 147 为“平台型”，即煤柱临界界核区内应力为平均分布，其 为极限强度值「5*,如图2所示。 图2煤柱宽柱宽度计算力学模型 Fig. 2 Mechanical model of the width of coal pillar 为了理论计算方便,做如下假设①条带煤柱周 围的屈服区宽 宽 同；②采 界界垂 层层的自重，部分或者全部由条带煤柱 ，则，则有计算 见式（9）。 P P1 . ；2 （9） 式中；为煤柱上单 积 载，MN；；1、；2分 为煤柱屈服区和核区单 积荷载，MN。 屈服区应力的分布由边界 核区呈线性 增长,则有计算见式（10） ；；1 . ；2 41CB ） （10） 式中，L为煤柱的宽度,m。 极限平衡状态下，煤柱上的荷载为上覆岩 层的自重及分摊条带岩层 柱上的自重引起 的，计算见式（11）。 p H （L D） （11） 式中H为煤矿开采 ，m；W为条带的跨度，m。 处引入安全系数G,纟 公式得式（12）。 kH L W 41 B rp 12 即B的计算见式13。 b 4-hd 41 的计算见式14。 13 14 2tbln1 引入参数Q1和Q，得式（15）,即为条带煤柱临 界宽 界宽 的 计算公式。 B 右。./“ （15） 式中Q1为条带跨 跨 数；九为煤柱高度 系数，计算见式（16）。 3条带煤柱稳定性分析条带煤柱稳定性分析 1）条 柱 的计算。矿山开采实践表明, 在条带采 中，煤柱的完好 采场结构 稳定性的一个重要标志。而维持采场稳定的煤柱必 须 的 性，否则煤柱 的失 将 采 及煤柱的的力学状态，进而]整 个采 的 性， 采 柱 性的分 析具有重要的意义。由于煤岩（体）的力学性能具有 和形状效应，所以实 测定的 （体） 直接用于评 的 ，须 i 当的转换或 实际测量。 虑煤柱尺寸及形状对稳定性的影响，在没有 实测数据的前提下，煤柱 计算采 （Bienia wski）公式）57，见式（19）。 4p 4m （0. 64 0. 36B/M）＞ （19） 式中4；为条 柱强度，MP a； 49为煤岩强度参 数，MP a；＞为常数，当B/M〉5时，＞ 1. 4；当 B/M V 5 时,＞ 1.0。 2） 煤柱荷载计算。煤柱荷载的计算有多种理 论模型，包括Sa la mon法、Wilson法和面积承载理 论，其中，以煤柱面积承载理论简单有效而 广。 认为，煤柱 受的荷载等于 撑撑的 采场范 柱的重量，煤柱支撑的面积为 其分摊的回采条带面积与煤柱自 积总和 I ，在煤柱为 柱的条件下，煤柱的平 载量 为计算见式（20）「8“。 4④综 分析计算 ，确 设计 数。 4 实例分析例分析 1）采 设计。针对矿山的实际条件，根据工 类 ， 初 条 开 采宽 宽 为 20 〜35 m， 柱 设宽度不小于12. 5 m。采用极限平衡理论，基于 、 学参数，取安全系数＞ 1, 戏上 公式，求得在条带宽度为20〜35 m时，煤柱留设 极限宽度为28.1〜44.4 m。根据工业广场煤柱附 近区域地质条件、地面建筑物、木 分 ，初 4 方 分析（ 1）。 据 1 的分析计算 148中国矿业 第29卷 结果，对不同条带宽度下煤柱的稳定性进行分析，结 果见表2。 工程实践表明，当稳定性系数大于1. 5时，煤柱 及采场能维持较好的稳定性，进而确保上覆岩层及 地表的移动变形在可控范围之内。综合考虑条带开 采时资源回收率和采场的稳定性，确定条带开采宽 度为D 35 m,煤柱留设宽度B 45 m,回收率 43. 8 表1不同条带宽度下煤柱极限宽度计算值 Table1 Calculationvalueoflimitingwidthofcoalpilar underdiferentwidthofstrip 方 条宽 采采 柱宽 D/mH/mM/mB/m 方1203502528 1 方2253502533 5 方3303502539 0 方4353502544 4 表2不同条带宽度下煤柱稳定性分析表 Table2 Stabilityanalysisofcoalpilarunder diferentwidthofstrip 方 条宽 D/m 柱宽 B/m 安全系数 / 回收率/ 方120291 2240 8 方225341 3342 4 方330391 4443 5 方435451 5943 8 2方案实施效果考察。在设计采留比下进行条 带回采，采场条带煤柱和采场顶板基本保持完好，采 场顶板来压不明显；经现场沉降观测，地表最大下沉 值为155 mm,地表最大倾斜率为0. 85 mm/m,各变 形值均小于砖混结构建筑物损坏I级指标。 5结论 1 采用工程类比与理论计算相结合的方法，使 条带开采设计参数更加科学合理，对于采用条带开 采法回收煤柱具有一定的指导意义。 2 在设计参数基础上，综合考虑资源回收率和 采场稳定性要求,选择适当的安全系数，确保煤柱和 采场的稳定性。 3 基于以上的设计流程，既保证了煤柱上方地 表建筑物、构筑物及工业场地的安全使用，又采出了 部分煤柱，有效延长了矿井的寿命，且能取得良好的 经济效益。 ■ 参考文献 1*吴立新，王金庄.建构筑物下压煤条带开采理论与实践 M*.徐州中国矿业大学出版社，1994. 2 *杜计平，汪理全.煤矿特殊开采方法M*.徐州中国矿业大学 社 2003 3 *郭文兵，柴华彬.煤矿开采损害与保护［M*.北京煤炭工业出 社 2008 4 *蔡美峰.岩石力学与工程［M*.北京科学出版社,2017. 5 *吴立新，王金庄.煤柱宽度的计算公式及其影响因素分析J*. 矿山测量，19971 12-16. 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