条带开采中煤柱稳定性分析.pdf

● ◆ 0 第 2 O卷 第 2期 1 9 9 5 年 4月 煤 炭 学 报 J OuRNAL OF CHI NA COAL S OCI ETY VoI ．20 No．2 ADr ． 1 99 5 条带开采中煤柱稳定性分析 胡 炳南] 多 - 堞擞科学研究总院北京开采研究所 确叠系统地分析 j条带开采中煤柱稳定性问题 ．通过 多个实例计算的对比分析，建议采 甩 wi I s 0 n强度公 式进 行一般地质采矿条件下条带煤柱 强度 的计算 ．从煤柱 强度分析 出发 ， 导 出 j任 意方 向弱 面的 剪力强度 安垒 系数 计算式 ；建立 j顶底板 通过摩擦 作 甩施加蛤煤柱的等效拉 压应 力引起的煤柱 屈服 区宽 度 变化的 简化 计算 式； 从 3向受力状 态 角度 分析 j侧 限力对糟加煤 采用 了无煤柱开采方法保护矿井巷道 ，但还会常常遇到需要留设一些特殊煤柱用于各种不同目的 ，如为了控 制地表下沉、改善顶板控制条件和免受水害等其它可能的灾害 ． 随着采深的增加，留设的煤柱也会越来 越大 ． 所以．合理地进行煤柱设计．确保煤柱稳定 ，对于多回收煤炭资源和进行安全开采都是至关重要 的 ． 煤柱稳定性是指在一定的时间内、在一定的地质力和工程力的作用下，煤柱 由于应力重新分布而仅 出现变形． 但并不产生破坏性的垮落和滑动 ．因此 ． 条带开采中煤柱稳定性分析 ， 首先要计算煤柱 的载 荷 ，其 次分析煤柱承载 能力 ，最 后设 计煤 柱宽度 ． 1 煤柱载荷计算 在 “ 三下 压煤条带法开采中．载荷计算均采用仅考虑覆岩 自重应力场的面积法 ， 如图 1 ． 大多数条 带法开采中， 采出宽度 b 都较小 ． 采空区内除直接顶冒落外， 老顶一般不塌落 ， 冒落矸石不接顶 ， 采空区 矸石不承 载 ．因此 ， 可认 为采出宽度 b上方 的覆岩荷重 全部 转嫁 到所留设煤柱 宽度 n上 ． 此 时 ， 条带煤柱 上载荷 可 由式 1 计算 ，即 a y ／ 1一 P； b Y H ， 1 式 中，P为采 出率 ， ；y为疆岩平 均重力 密度 ．MN／ m ；H 为平均开采深度 ， m； a ， b 分别为留设堞柱宽度和采出宽度． m． 在某些条带法开采中， 采出宽度较大． 而冒落矸石多， 顶 底板移近 量大 ，致使 采 空区 冒落矸 石接 顶 此 时 ，可 利用 Ki n g提 出 的 方 法 计 算 采 空区矸 石承 载力 ． Ki n g认 为 若煤 体一侧未采动 ，而另一侧为无限采动 ．则在紧靠煤壁处的矸 本文 1 9 9 4 - 0 9 - 2 1 收剜 ．廖抽平犏辑 ． *堪擞 工业部 ．电力 工业 部 合 科研项 目 I { i | f H i R| l f l 鼍 l l 国 1 载 荷计算 Fi g． 1 Di ag r am of l oa d c al c ul at i on 维普资讯 2 0 6 蠕 炭 学 报 1 9 9 5 年第 2 0 卷 石不承 载 ， 而在 采空区侧距煤壁 0 ． 3 H 处 ， 采 空区矸石承 受 y H 的载荷 ， 且在该处 与煤 壁之 间应 力按线性 分布计算 ．所以 ， 只要对 有限 采动情况进行 叠加 ， 就可 求得 考虑 采空区矸石承载情况 下条带煤 柱载 荷 P ， 即 一 b T H Y b z ／ 1 ． 2 ． 2 面积分析法计算煤 柱载荷 简单易行 ， 虽 然采取了一些假设 ， 但基本能 满足工程要求 ， 在 国内外得 到 了 广泛的应用 ． 2 煤柱强度分析 2 ． 1 煤柱 强度经 验公 式 煤柱强度反映 了煤 柱支撑上覆岩层的承载 能力 ， 它是煤柱稳 定性分析 的基础 ．目前 ， 较具代表性 的有 Ob e r t ， S a l a m o n和 Wi l s o n [ 等 3个煤柱强度计 算公式 表 1 ， 它们都是根据 实验 室实验 现场调查和 现场 煤 柱观测总结得 出的， 其中 ， 0b e r t ， S a l a mo n假 定煤柱为均 匀承 载； Wi l s o n认为煤柱侧 有 0 ． 0 0 4 9 2 mH 宽 的屈服 区 为煤层厚度 ， 屈服区 内为核区 ， 核 区的承载能力 为 4 Y H． Ob e r t基于 实验 室煤 块单轴抗压强 度 ， 考虑 了煤 柱的尺寸效应建 立起现场煤 柱强度公 式 ．它主 要应 用于煤柱绝对 宽度较 小的房 柱法开采 采掘巷道保护 的煤柱计算 中 ． S a l a m o n在调查成功和失败的 1 2 5个实例煤柱基础上 ， 应用数理统计理论接煤柱宽度和采厚两个参 数拟合求得的 ．它适宜于南非房柱法开采方形煤 柱设计 中， 但有些偏差 ． Wi l s o n提 出的把煤柱在 宽度方 向分成两个 区， 即 中心承 受 3向应力 、 表 现为弹性的煤 柱 核 区和 虽然 出现了裂隙但限制核区侧向移动的屈服区 ．该方法适用于具有较大宽度条带煤柱强度计算， 在我国条带 开采 中应用较多 ． 2 ． 2 煤柱 强度分析 裹 1 嚣隹誊虞计算 实践和理论都已表明 ] ， 煤柱强度不仅与 煤柱试块 的单轴强度 、 煤柱 长度 、 宽度和高度等 有关 ， 并且还与煤柱弱面、 顶底板岩性和煤柱侧 应力等 围岩体 系因素有密切关 系 ． 若煤柱 长、 宽尺寸大 ， 则相对 的边 界 自由面 小 ．固改变 了煤 柱 内部 受力状 态 ， 从 而大幅度 地提高 了煤 柱 的承载能 力 ．实践 中 ， 相 同采 出 T a b l e l C o , I p ． 1 i a r s t r e n g t h e i t l c u l a t i o n 注 ； 表中 ， 咖分别为煤柱强度和煤柱 单轴抗压力强度 ． MP a ． 率条件下 的条带煤 柱较房柱煤柱 稳定也证 明了这一点 ．煤柱高 度愈 小 ， 煤柱 强度就 愈大 ， 稳定 性就 好 ； 反 之 ， 煤柱强度和稳 定性 小 ．上述 3个煤柱强 度计算公式来源于实验和现场调 查 ．煤柱长度 、 宽度和高度等 固素对煤柱 的影响在这 3 个 煤柱强度经验公 式 中都碍 到 了体现 ．它们表达 了一般地 质采矿条件 和 围岩 体 系煤柱的特征 ． 以下采用上述 3个强度公式进行多个 实例计算反分析 ． 从表 2中可以看出， Wi l s o n方法计算出的煤柱安全系数 k与实际煤柱稳定吻合， 而 O b e r t 和 S a l a mo n 的方法计算偏差较大 ．笔者建议在我 国一般 条件下 条带煤 柱强 度的计算和煤 柱设计 中， 采用 Wi l s o n方法 进 行 ． 但是， 必须指出． 各地地质采矿条件可能是千变万化 的．对于一个具体工程设计 ， 经常会碰到不同的 围岩条件和技术 条件 ， 诸如 条带煤柱是利 用断 层等结构弱面 而设 置的 ； 顶底板 是较煤柱还 松软 的泥岩页 岩 ； 条带煤柱两侧 已采用充填 ， 煤柱存在侧限力 以及大采 出率的情况 ．这些因紊会对煤柱强度产生不 可忽 视的影响 ．因此 ， 有必要在 Wi l s o n经验公式 的基础上， 从 煤柱一 采场一 围岩” 这一体系的应力～ 应变关系出 维普资讯 ● ● 第 2期 胡炳南 条带 开采 中煤 桂稳 定性分 析 2 0 7 往 前8倒l为条带开采， 轴向接无限长计算} 宴倒 9 ， 1 0和 1 1 为短壁房柱开采， 煤 柱受力以实际尺寸反算 3 条带开采 中煤柱稳定性分析 如前所述 ， 对于一般的地质采矿条件下的条带煤柱稳定设计 ， 可根据上述煤柱载荷和煤柱强度经验公 式 ， 令其安全系数为 ， 得 出相应 的煤 柱宽 度公 式 ． 如表 3 ．而对于 特殊 、 具体条件 下煤 柱设计 问题 ， 作 以下 进一步 的稳定性分析 ． 衰 3 煤 柱宽度设 计 Ts b l e 3 De s i g n o f p i _ r wi d t h 方 法 条带法煤 柱宽 度方程 0 r t S [ a mon W i l l 】 n 0 2 2 2 a 。 Ⅱ ／ 卅 0 ． 7 7 8 t t o k T H a k b Y H 0 1 1 ． 5 4 ／ m“ y mk Y H b 0 4一 口 0． 02 mH 注 接地表 不产生 波浪形 下沉盆 地原则 ， 先确 定果 出宽 6 3 ． 1 含弱面的煤柱稳 定性 分析 设煤 柱内有一弱面 与 轴正 向夹角为 卢 。 ， 如图 2所示 ， 弱面上粘结力为 C MP a ， 内摩 擦角 为 。 弱面法向及 ， Y向正应力分别为 ， 以 和 a , MP a 、 按库 仑定理 ， 弱 面抗剪强度 一c g ．把 煤柱的铅垂 应力 和 水平应力转为弱 面上法 向和切 向应力 ． 即 一 a ／ 2 一 c o s 2 fl ／ 2 ， f一 a y a ． s i n 2 fl ／ 2 ． 令煤柱为弱面剪切破坏 ， 即 r 一r． 此时 ， 最大主应力 为 一 壁 g 二 竺 ] r 、 ～ s i n 2 p t g 1 c o s 2 f1 ’ ⋯ 考查 式 3 -9对 的影 响 当 卢 一9 O 。 或 - 9 一 时 ， 一。 。， 表 明无 论 多大 ， 弱 面都 不会 出现剪切破坏 ．而 由 d a Jd fl0 ， 可以求得驻点 ／ 4 2 ， 该点 取最 小值 ， 即煤柱所能承受 的载荷 最小 ， 如 图 3所 刀 对于 任意方 向弱面 ， 剪切强 度的安全 系数 为 明 面 图 2 含弱面 的煤 桂稳 定性 分析 F ． 2 S t a b i l i t y a n a l y s i s o f c o a l p i l l a r wi t h we a k p l a n e s 维普资讯 煤 炭 争 报 1 9 9 5 年第 2 O 卷 c d ／ 2 a c o s 2 fi ／ 2 特殊情况 ， 在条 带法 开采 采空 区未 充填 时 ， 一0 ．此时 ， 剪 切强 度的安全 系数 h 为 ， c d ／ 2 a y c o s 2 fi ／ 2 一 一 ’ 由于弱面 的存 在 ， 煤 柱常常会 因抗 剪强度不够而产生剪切破坏 ．因此 ， 在舍弱面 的煤柱稳 定性 和煤 柱 设 计中 ． 需 着重 考查 煤柱弱面的剪切强 度 ．当抗剪强度 不足 时 ， 应采取调整煤 柱位置 、 加大煤 柱宽 度和 进 行 充填等措 施 ． 3 ． 2 顶庇板对蠼柱 的搴镰效应分析 煤柱顶底板对煤柱具有端面摩擦效应 ．在相对煤柱较为坚硬的顶底板条件下 ， 它起到加强煤柱稳定 的作用 ， 但是 相对松软 的顶底板条件下 却会 太幅度地削弱煤柱强度和 稳定性 ．如 图 4 ， 按平面 应变 问题式 4 推 导相对坚硬和相对 松软顶底板对 煤柱的影响 表 4 ， 它 们与煤 柱 的应变差分别 为一1 ． 9 9 7 mm／ m 和 4 ． 2 1 7 mm／ m． 一一 I ／ E， 4 式 中 ， 为 向水平变形 ； 为泊松 比； E为弹性模量 ． 在煤柱和顶底板接触处 ， 代入应变相等的怫调条件， 并按单向应力状态考虑 ， 即可计算出围岩对煤柱 麓加的等效拉压应力 △ ， 以及产生的额外的由于煤壁拉应力 以而产生的屈服区 ． 一 E ， 一 0 ． 0 0 4 9 2 ma J7 ． 匿 3 弱面 方位 与强 度的 关系 F i g ． 3 Or i e n t a t i o n o f we a k p l a n e v s s t r e n g t h I J l l I I l l 相对坚硬顶底板 ●__ ● 、 _ ， J _ ● - 『 f f I f I l I I J I I Il I J I 帽对格赣嘎底板 f f f 1 l l l f 图 I 顶底板 与煤 拄 的庠攘 效应 Fi g． I Fr i c t i o n a l e f f e c t b e t we e n r o o f a s we l a s fl o o r a n d c o a l p i l l a r 寰 4 煤挂 和】 I雇板 水平 拉伸 童骺 计算 Tm We ‘Ho r l z o m lt e n s i l e s o a i m ot∞ I I p l l b r a n d I t s r o o t a n d floo r 可见， 相对坚硬顶底板的水平拉伸变形只是煤柱 的 1 ／ 2 4 ． 所以坚硬的顶底扳将会通过摩擦熬应限制 煤 柱的水平 变形 ， 从而使煤 柱的强度和稳 定性 得以增强 ．相反 ， 对 于橙软围岩情况 ， 其顶底 板 的水 平变形 比煤柱 太 3倍 ．此时 ， 顶底 板的摩擦作用 并不是限制水平变形 ， 而 实际上是使煤柱 内产 生水平拉力 ， 削弱 原有煤 柱强 度 ， 最终导致煤柱的拉断破坏 ， 如 图 5 ． 这 种拉 断破 坏常能在松软顶底 板巷道煤 柱上 看到 ， 所 以 维普资讯 ● ● 第 2期 胡炳南 条 带开 采 中煤柱 稳定性 分析 2 0 9 也是煤柱设计中不可忽视的一个重要因素 ．因此 ， 在松软顶底板条件下的煤柱设计时， 应考虑因顶底板对 煤 柱的摩擦 作用产生拉应力而增加 的煤 柱屈服 区宽度 ． 图 5 煤 柱 的拉 断破 坏 Fi g ．5 Fa R ur e of c o a l D i I l a r u n d e r t e n s R e s t r e s s 3 ． 3 侧限对煤柱 的作用 图 6 p ／ T H 与 p的 关系 F i g ．6 p ／ t H v s P 从煤柱应力观测数据来看 ， 煤柱强度除受煤柱本身单轴抗压强度支配外 ， 在很大程度上取决于佣限的 作用 ．侧限小的煤柱边缘区域 ， 其承载 能力 远小于佣 限大 的中心部分 的承载能力 ， 并且煤 柱的承载能力 随 佣限力的增加而增大 ．可以认为任何煤柱在 全佣 限后 ， 其煤 柱具 有无限强 度 因此 ， 煤柱的佣限对其 强度 和稳定性影响很大 ， 特别是对于煤层 较软弱和裂隙发育 的煤 柱 ， 可采用部分充填等方法大幅度地提高煤柱 稳定性或煤炭采 出率 ． 设煤柱一侧压力 以， 按 Wi l s o n假设， 即可减少煤柱宽度 ， 增加煤柱的承载能力 △ ． 即 △ 口一 0 ． 0 0 4 9 2 mo ff7 ． 一 4 T Ha一 4 0 6 ． 5 。 ． 3 ． 4 大采出率时煤柱 稳定性分析 面积法理论 中 ， 煤柱载荷 pa l [ 1 一P 7 H] ， 把它转化成 户／ 7 H一1 ／ 1 -p 形式 ， 并绘 成图 6 ．从图中 可以看 出 ， 当采 出率小 于 0 ． 7 5时 ， 曲线近似 于水 平 ， 煤柱平均载 荷与原始应力之 比随采 出率 的变化 不大 ． 而 当采 出率大于 0 ． 7 5时 ， 曲线斜率很大 ， 只要采 出率有一个小 的增 量 ， 就会出现 相当大 的载荷增量 ．采出 率与煤柱 载荷 的这 个关 系说 明． 对 于高采 出率 的条带开采设计应慎重对待 ． 4 结 论 1 在。 三 下” 压煤条带 开采中 ， 煤柱载 荷计 算可采用 面积 理论 计算 ．虽然含 有某些 假设 ， 但不 失为简 单有效 的方法 ， 能满 足条带煤 柱设 计的要求 ． 2 在 3种煤柱强度计算方法中， S a l a mo n法和 wi 1 s o n法较接近实际， 笔者推荐使用 Wi l s o n方法 ． 3 在具 体的含有弱面的煤 柱设 计中 ， 应增加剪切破坏校核 ． 4 相对坚硬和松软顶 底板对煤柱具 有完全不 同的接触效 应 ， 相对 坚硬的顶底板 能增加煤柱 的强 度 和 稳定性 ， 而相对 检软顶底 板则能削弱煤柱强 度和稳定性 ， 甚至导致拉断破坏 ， 在设计 时应增 加煤 柱的宽 度 ． 5 煤柱佣限应力对煤柱稳定性影响很大 ， 采用 充填 或部分 充填 的方法能大大提高煤柱的强度和稳 定 性 ， 或 提高采 出率 ． 6 在具体设计 中 ， 要特别 注意 采 出率与煤柱载荷 的变 化关系 ， 慎 重对 待大采 出率 条件下 的条带煤 柱 设 计 问 题 ． 2 8 4 0 维普资讯 2 l 0 煤 炭 晕 1 9 9 5年第 2 O 卷 参考文献 1 戚 尔逊 A H 对确 定煤 柱尺寸 的研 究 ．矿 山测量 ， 1 9 7 3 1 3 0 4 2 2于学礁 ， 郏颍 人 ． 刘 怀恒等 ．地 下工 程 围岩稳 定分 折 ．北 京 煤炭工 业 出版社 - 1 9 8 3 3 煤 炭 科学研 究院 北京 开采研 究所 ．煤 矿地 表移 动和覆 岩破 坏规律 及 其应 用 ．北京 煤 炭工业 出版 社 ． 1 9 8 1 作者简介 胡炳南 ， 男． 3 5 岁， 高级工程师 ．1 9 9 2 年毕业于北京科技大学 ， 获硬士学位 ．现 从 事 三 下 ” 采 煤 和 塌陷 区治 理的 研 究 - 1 9 9 3年获煤 炭 工业郁 科技 进步 三等 奖在 煤 炭科学 技 术 等 刊物 上发 表 了 粉煤 灰 克填采 空区 ” 等论 文 1 6篇 _煤 炭 科学研究 总院 北京 开采研 究 所 ． 邮政编 码 1 0 0 0 1 3 ． PI LLAR S TABI LI TY ANALYS I S I N S TRI P M I NI NG Hu Bi n g n a n 脚 Re , e a r t h J Ⅲ Co a l Mi n i n g， C t tr a l C o a l Mi i n g Rr c h Ab s t r a c t A s y s t e ma t i c a n a l y s i s o f pi l l a r s t a b i l i t y i n s t r i p m i n i n g Wa S ma d e ． I t s u g g e s t t h a t A． H- W i l s o n s f o r mu l a o f p i l l a r s t r e n g t h i s t o b e a do p t e d f o r t h e g e n e r a l g e o l o g i c a l a n d mi n i n g c o n d i t i o n s b a s e d o n c a s e s t u d i e s ． The s a f e t y f a c t o r o f s h e a r s t r e n g t h a t we a k pl a n e i n a ny d i r e c t i o n wa s d e du c e d ． The s i mp l i fie d f o r mul a f o r c a l c u l a t i o n o f v a r i a t i o n o f wi d t h o f t h e y i e l d e d z o n e d ue t o t h e f r i c t i o n e f f e c t b e t we e n t h e r o of o r f l o o r a n d c o a l p i l l a r wa s a l s o p r o p o s e d ． Th e me c h a n i s m o f i n c r e a s i n g t h e s t r e n g t h o f c o a l p i l l a r b y c o n f i n e d p r e s s u r e wa s i n v e s t i g a t e d u n d e r t r i a x i a l s t r e s s c o n d i t i o n s ． The a ut h o r s c o nc e n t r a 一 e d o n t he no n - l i n e a r r e l a t i o n s h i p b e t we e n p i l l a r l o a d a n d t h e e x t r a c t i o a r a t i o． S e v e r a l p r o b l e ms i n s t r i p mi n i ng de s i g n we r e p oi n t e d o u t ． Ke y wo r d s s t r i p mi n i n g，c o a l p i l l a r ，s t r e n g t h，s t a b i l i t y a n a l y s i s 维普资讯