条带煤柱稳定性理论与分析方法研究进展.pdf

一 带煤柱稳定性理论与分析方法研究进展 ／ 周宏伟 赵国 旭 中国矿业大学岩石力学与分形研究所 北京 1 0 0 0 8 3 己 摘要条带开采作为保 护地 面设施 的有效措 施在 我国 的很 多局 矿得 到广 泛应 用。本文 就煤 柱载 荷 、煤柱强度 、煤柱稳定性与煤柱尺寸的确定 三方面系统介 绍了条带 煤柱稳定 性理论 与分析方 法，并对 一 关 键 词 条 带 开 采 煤 柱 载 荷 煤 柱 强 度 煤 柱 稳 定 性 一 一 、 -／ 一 l RECENT DEVELoPM ENTS oF THEoRY AND ANALYSI S M ETHoDS oF S TRI P PI LLAR S TABI LI TY Xi e He p i n g Du a n Fa bi n g I n s t i t u t e o f Ro c k Me c h a n i c s F r a c t a l s 。 Zh o u Ho ng we i Zha o Gu o xu C h i n a Un i v e r s i t y o f Mi n i n g Te c h n o l o g y Ab s t r a c tSt r i p mi ni n g i s wi d e l y u s e d a s t h e me t h o d f o r p r o t e c t i n g g r ou nd s u r f a c e b ui l di n gs i n ma n y c oa l mi n e s i n Cni n a． I n t e r ms o f l o a d。 s t r e ng t h a nd s i z e o f pi l l a r ， t he t he o r y a nd a na l y s i s me t hod s o f s t a bi l i t y o f s t r i p pi l l a r a r e s y s t e ma t i c a l l y r e v i e we d i n t hi s p a p e r ． M o r eo v e r 。 t h e f a c t o r s i nflu e nc i n g t he l o a d。 s t r e n gt h a nd s iz e o f pi l l a r a r e a na l y z e d． ． Ke ywo r d S t r i p mi ni n g． Pi l l a r l oa d， Pi l l a r s t r e ng t h， Pi l l a r s t a bi l i t y 前言 据统 计，我 国生 产 矿 井 “三 下 一 上 ” 压 煤 量 达 1 3 7 9 0M t ⋯ ，严重制约着矿井 的生产与发展。随着一些矿井 可采储量的 日益减少， “ 三下 一 上” 的开 采 愈 显 重要。 自 1 9 6 7年起，我 国已先后在 十 多个矿务局应 用条 带开采方法进行建筑物 下、铁路 下、水体下煤体的回采，取得 了明显的经济和社会效 益，同时也获得 了有关条带开采地表移动机理、条带 煤柱强度计算 、条带开采尺寸设计和条带煤柱稳定性 分析的理论与实践经验。煤柱作为保护矿井巷道、控 制地表移动和矿井隔离的常规方法在条带开采方式中 非常关键，合理进行煤柱设计并确保煤柱的稳定，对 于回收煤炭资源、安全开采和保护地表形貌 、形态至 关 重要 。 煤柱稳定性是指在一定时间内、在一定的地质力 和工程力的作用下，因开采后煤柱 内应力重新分布而 给最后一步开挖造成困难。 一 参考文献 [ 1 ]北 京科技大学 、金川镍钴研究设计院 、金 J I J 公 司二矿区，金J I J 二 矿 区深部矿岩力学特性测试。研 究报 告，1 9 9 7 。 [ 2 ]金川镍钴研究设计院、北 京科技 大学，金川二矿 区深部工 程地质 分 区和岩体分类，研究报告，1 9 9 7 。 [ 3 ]蔡美峰、乔兰、于劲波，空心包 体应 变计测 量精度 问题， 岩土 工程学报 ，1 9 9 4 ，l 6 5 1 52 I [ 4 ] C a i ．M ， Qla G ， l ⋯L i ，C． ． Y u ，J ． ， Y u ，B．a n d C h e n ， G． ， 条带爆柱稳 定性理论 与分析方法研究进展 Ap p l ic a t io n o f a n i mp r o v e d h o l l o w i n c lu s i o n t e c hn iq u e f o r i n s i t u s t r e me a s u r e me n t i n x i n c h e n g Go l d M i n e ， Chin a ．I n t e rna t i o n a ， ， 4 一 ● 收稿 日期 年月 日 [ 作者简介] 蔡美峰教授博士生导师 北 京科技大学资源工程学院院长 中国金属学会采矿学 术委员会主任题头照片蔡美峰 3 7 维普资讯 出现弹塑性变形或裂隙，但并不产生破坏性的垮落和 滑动L 2 j 。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 、围岩和煤层与岩层之间的接触 表面。煤柱的失稳是 由顶、底板的失稳逐渐发展引起 的。开采引起岩体中载荷的变化，当载荷增加时，煤 柱边缘开始垮落，而煤柱 中心部分承受 了附加载荷。 这种煤柱边侧的屈服或垮落，都将导致其缓慢或突变 性 的失稳。 条带开采中煤柱稳定性的理论与分析方法应尽可 能考虑开采系统的各主要影响因素。本文从煤柱载 荷、煤柱强度和煤柱稳定性分析及宽度设计三个方面 系统介绍了条带煤柱稳定性理论，并对其中的各主要 影响因素分别进行了阐述。 1 煤柱载荷研究 煤柱工作载荷系指煤柱承受的最大载荷，主要取 决于地层层数、地层厚度等地质因素以及每层的弹性 模量、围岩硬度和煤柱硬度等物理力学参数。煤柱载 荷计算 主要有 如下 3种理 论 1 ． 1 有效面 积理 论 在广泛的开采布局 中，煤柱的尺寸一般 比较规 则。有效面积理论认为，各煤柱强度相等并承担相同 的载荷。因此，煤柱的工作载荷是在煤柱影响区域内 的固定载荷 。 大多数条带开采中回采宽度较小，采空区内除直 接顶 冒落外，老顶一般不冒落。冒落矸石不接顶，所 以采空区矸石不承载。因此，可认为采出宽度上覆岩 层的重量全部转移到所 留煤柱宽度上，条带煤柱上的 载荷 P可由下式计算，即 P7 H／ 1一P W A ／W 1 式中， ，A 一 留设煤 柱宽度和采 出宽度，m； 煤 柱平 均载 荷 ，MP a ； 7 - 覆 岩平 均 容 重，MN／ m ；H． 平均开采 深度，m；p - 采出率 ，PA／ W A 。 由于煤柱边缘的破裂与松动而引起的煤柱有效承 载面积减少，因而应考虑一定的安全储备，可取安全 系数为 1 ． 1 【 4 J ，则相应地载荷 P的计算公式为 P1 ． 1 7 H／W 2 当采 出宽度 比较大、采空 区冒落矸石直接接顶 时，可利用 Ki n g 【 2 J 提 出的方法计算采空 区矸石承载 能力。Ki n g认为，当煤体一侧未采、另一侧无限开 采时，采空区 内距煤壁 0 ． 3 H 处矸石承载的载荷为 7 H，且该处与煤壁间的应力按线性分布。据此假设， 对有限采动情况进行叠加，可以得采空区内矸石承载 情况下条带煤柱载荷 P的计算公式为 P W A y H／ ～ ／ 1 ． 2 W 3 3 8 1 ． 2压力拱理 论 J 压力拱理论认为，由于采空区上方形成压力拱， 上覆岩层的载荷只有一少部分作用在直接顶上，其它 部分的上覆岩层载荷会向两侧的煤柱转移。压力拱的 内宽 L- 主要受上覆岩层的厚度及采深 H 的影响，压 力拱的外宽 L2 主要受覆岩内部组 合结构的影响。如 果采宽大于压力拱的内宽 L。 时，则载荷会变得较为 复杂，此时压力拱不稳定。即使采宽小于压力拱的内 宽 L。 ，其稳定性也随时间的变化而变化。所以该理 论给出了煤柱尺寸的估算方法，认为载荷的分布是复 杂 的而 且有时 间性。 1 ． 3 A．H．Wi l s o n两区约束理论 A H．Wi l s o n认为采空区承担的载荷 与采空区 内各点顶、底板闭合量有关，采空区内各点的垂直应 力与距煤壁的距离成正 比，当该距离达到 0 ． 3 H 时采 空区内各点的垂直应力恢复至原始载荷 7 H。由此假 设，A．H．Wi l s o n给出了下面的煤柱载荷计算公式 a 两侧采 空 区宽度 0 ． 6 H 时 P 7 HW 0 ． 3 H ／ 4 b 两侧采空区宽度相等且5时， 1 ． 4 ；当 条带煤柱稳定性理论与分析方法研究进展 1 0 W／ h 0 ． 8 5一 1 3 JD 1 JD 中 硬 【J ． 1 3 【 J D 坚 硬 0 ． 9 0 式中， 一煤柱塑性区宽度。 文献 [ 7 ，8 ]介绍 了如何利用极限平衡理论求出 煤柱塑性区宽度 r 。A．H． Wi l s o n最早提 出了极限 平衡理论，国内外学者进行 了大量补充 引，逐步完 善了极限平衡理论，其基本假设为 1 煤柱由屈服区和核区组成， 已破坏屈服 区包 围并约束核区，核区处于三向受力状态； 2 煤柱屈服区与核 区交界处 的垂直载荷应力最 大。极限应力的增大，使得屈服 区 塑性区 内移， 核区宽度减小，煤柱开始失稳 ； 3 煤柱的屈服准则满足莫尔一 库仑准则或其 它屈 服 准则 ； 4 煤柱受力是关于中性面对称。 由上述假设和平衡方程、屈服准则及边界条件导 出平衡区内塑性 区宽度 [ t t 引 ，并将 代人 1 3 式校核。 3 ． 2 煤柱稳定 性分析 煤柱稳定性的影响因素较多，包括开采深度 、整 个煤矿的地质构造、煤柱内部的地质构造、分层开采 40 上、中、下分层开采的应力分布、煤层与顶底板接触 和粘结状况、煤柱 自由表面和支护、开采方式和工作 面推 进 动 态 效 应 等。 许 多 文 献 对 此 做 了不 少 研 究 1 0 , ] ，但 难 以直接 进行 定量 估计 这些 影响 因 素，致使煤矿工程设计难度较大。 4 结论 煤柱载荷 与煤柱强度是煤柱宽度计算与稳定性分 析的基础，二者有待依靠实验和理论的结合进一步更 真实地确定。 应该指出，虽然我们能够从理论上认 识煤柱破坏 与失稳的机理，但得出的结果却并不一定符合工程实 际，对具体的地质条件我们还应作进一步的考查与检 验。实际上，煤柱的破坏与失稳是典型的远离平衡态 的非线性过程，非线性科学 的迅猛发展及广泛应用将 给煤柱研究提供了广阔的前景。其 中分形 与损伤理论 为我们研究煤柱内部构造对煤柱稳定性的影响提供了 有力手段，突变理论的应用可加深我们对煤柱失稳过 程的认识，分形接触力学的引入又可进一步研究煤柱 和顶底板的接触与粘结效应。我们相信，非线性科学 的应用必将煤柱研究提高到一个新的高度，更好地指 导工程设计，并丰富和发展煤柱稳定性理论与分析方 法。 _ 参考 文献 [ 1 ]陈炎光 、徐永圻主编，中国采煤方法。徐州 中国矿业大学 出版 社，1 9 9 1 。3 8 3 3 8 5 。 [ 2 ]胡炳南，条带 开采 中煤柱稳定 性分 析。 煤炭学 报 ， 1 9 9 5 ，2 0 2 2 0 52 l 0 。 [ 3 ]J ．M．Ga l v i n ，B ．K．He b b l e wh i t e ． 。A u s t r a l i a n c o a l p i l l a r p e r f o r ma n c e ， Re p or t ， Un i v e r s i t y o f Ne w S o u t h W a l e s ， 1 9 9 6 [ 4 ]吴立新、王金庄、刘延安等，建 构筑物下压煤 条带开采理论 与实践。徐 州中 国矿业 大 学 出版 社， 1 9 9 5 。9 7一1 0 9 。 1 3 4一 l 3 6 。 [ 5 ]R．C．P a k a ln i s 。P ．J ．L u n d e r a n d S ．V o n g p a i s a l 。p i l l a r s t r e n g t h e s t i ma t i o n a t W e s t mi n Re s ou r c e s o f H W M i n e A c a s e s t u d y ． Tr a ns ． 1 n s t ． M i n． M e t al l 。 1 0 2。 1 9 9 3 [ 6 ]S a l a mo n ，M．D．G．a n d A ．H．Mu n r o ，A s t u d y o f t h e s t r e n g t h o f c o a l p i l la r ．J．S．A f r I n s t ．Mi n ．Me t a l l ，I 9 6 7 [ 7 ] 白矛、刘 天泉， 条带开采 中条带 中条带尺寸 的研 究， 煤炭学报 I 9 8 3 ． 4 I 2 1 9 2 6 。 [ 8 ]侯 朝炯 、马念杰 ，煤层 巷道 两帮煤体 应力和 极限平 衡 区的探讨， 煤炭学报 ，1 9 8 9 ，1 2 4 2 1 2 9 。 9 ]Z ．T B i e n i a ws k i ＆ W．I ．v a n He e r d e n ．Th e s ig n i f i c a n c e o f in s i t u t e s t s o n la r g e r o c k s p e c i me n s ． b i t ． J ． o f． R o c k Me c h． ． M i n． Sc ． 1 2， 1 9 75 [ 1 0 ]R．Ka n n i g a n t i ，C．Ha y c o c k s a n d M．Ka r mi s 。Op t i mi z i n g p i ll a r d e s i g n in a mu lt i s e a m e n v ir o n me n t ，Pr o c ．o f I 4 t h C o n f e r e n c e o J Gr o un d C o n t r o l i n Mi ni n g。 1 9 9 5． 1 I ]谢和 平、刘夕才 、王金安 ，关 于 2 l世纪岩 石力学 发展战略 的思 考 ， 岩 土工程学报 I 9 9 6 。 1 8 4 9 81 0 2 。 中国矿业 1 9 9 8年第 7 卷 第 5期 维普资讯 [ 1 2 ]谢和平，分形理论在采矿科学 中的应用 与展望。 见谢和 平等 主编，跨世纪的矿业科学与高新 技术。北京 煤炭工业出版社． 1 9 9 6 ， 21 3 7 。 1 3 ] G a n g u li ． ．S t r e s s t r a n s f e r b e t we e n mu t i s e a m I o n g wa l l mi n e s ．M ． S． T h e ．c i s ， Vi r g i nia P o l y t e c h n i [ t i t u t e a n d S t a t e Un i v e r s i t y， B l a k s b u r g． V a． 1 9 9 5 [ 1 4 ] C ． Ma r k ，F ．C h a s e a n d A． ，C a mp o l i ，An a l y s i s o f r e t r e a t mi n in g p il l a r s t a b i li t y ，P r o c ．o f 1 4 t h 0 M Gmu ml C o n t r o l i n M i n i n g． 1 9 9 5． [ 1 5 ] E v a n s＆ C ．D P o me r o y ．T h e s t r e n g t h ， f r a c t u r e a n d w o r k a b i l i t y o f C oa l A mo n o g r a p h O l b n s i c z e o r k O l c n}n l i n i n g c ar r v i o u t b y t h e M i n i n g Re s e ar c h E s t a b l i s h me t t ． Na t i o n a l C o a l B o ar d P e r g a - mo rt Pr e s s ， 1 9 7 3． [ 1 6 】Ma r k ． ，A n a l y s i s o f l o n g w a l l p i l l a r s t a b i l i t y A I P s A n u p d a t e o f Wo r k s h o p 0 7 l C o a l P i l la r Me c h a n i c s a n d D e s i g n．S a n t a Fe ． US A． US BM ． I C9 31 5 ． 1 9 9 2． [ 1 7 ] S a l a mo n ． ．D e s i g n o f p i l l a r f o r p a r t i a l e x t r a c t i o n ． C -e o t e c h n i c a l C o n 一 搴、 、 、 s 、 、 、 j p ．f f d e r a t i o n s i n M i n e De s i g n Ke y Ce n t e Ho r M i n e s ， Un i v e r s i t y o f Ne w S o u t h W a le s ． 1 9 8 9． 【 1 8 ]Pa r i s e a u＆ I ．M ， Eit a n i c o mp a r i s o n s b e t we e n f in i t e e le me n t c a l c u l a t io n s a n d f i e l d m e a s u r e me n t o f r o o m c l o s u r e a n d p i l l a r s i r es d u r - i n g r e t r e a t mi n i n g ， h i t ．J ． Me c a n d Mi n＆ l 8 4 l 9 81 [ 1 9 ] E ． Ho c k ＆ E． T．B r o w n ， Un d e r g r o u n d E x c a v a t i o n i n R o c k C a n a d a ， 1 9 8 0 [ 2 0 ] H． Mo o miv a n d ＆ V． S V u t u k u r i ， E f f e c t o f g e o me t r y o n t h e c o mp r e s s iv e s t r e n g t h o f p i l l a r s ， M i t t ． i ． ． T e c h 1 9 9 6． 71 5 7 2 0 收稿 日期1 9 9 8年 3月 2 2日 [ 作者简介] 谢和平 中国矿业大学北京研究 生部岩石力学与分形研究所教授博士生导师 首届 中国青年科学家奖获得者，著有中、英文专著 6部 题 头照 片谢和平 1 9 9 7年全球 2 0大产金国 、 、 、 、 、 、 、 、 、 括号 内是 1 9 9 6年的产量和排名 单位t 排 名 国 家 产 量 排 名 国 家 产 量 l 1 南非4 8 9 ． 2 4 9 4 ． 6 1 1 1 3 加纳 5 5 ． 7 5 0 ． 3 2 2 美国 3 5 1 ． 4 3 2 9 ． 3 1 2 1 1 智利 5 2 ． 9 5 6 ． 4 3 3 澳大利亚 3 1 1 ． 4 2 8 9 ． 5 1 3 1 2 巴布亚新几 内亚4 9 ． 9 5 4 ． 1 4 4 加拿大 1 6 8 ． 5 1 6 3 ． 9 1 4 1 4 菲律宾 3 3 ． 8 3 1 ． 8 5 5 中国 1 5 6 ． 8 1 4 4 ． 6 1 5 1 6 墨西哥 2 6 ． 1 2 4 ． 5 6 6 俄罗斯 1 3 7 ． 0 1 3 2 ． 8 1 6 1 5 津 巴布韦 2 4 ． 3 2 6 ． 7 7 7 印度尼西亚 1 0 1 ． 4 9 2 ． 1 1 7 1 8 委 内瑞拉 2 1 ． 0 1 9 ． 9 8 8 乌兹别克斯坦 8 1 ． 7 7 8 ． 3 1 8 1 7 哥伦 比亚 2 0 ． 6 2 3 ． 1 9 9 秘鲁 7 4 ． 8 6 4 ． 8 1 9 3 7 吉尔吉斯斯坦 1 7 ． 4 4 ． 1 l O 1 0 巴西 5 9 ． 1 6 4． 2 2 0 2 9 马 里 1 6． 7 6． 6 1 9 9 7年世界 1 5家最大的黄金公司 括号内为 1 9 9 6年数字 ． 单位 t 排名 公 司 名 称 所在国 产量 排名 公 司 名 称 所在国 产量 1 1 英美联合公 司 南非 2 2 6 2 2 6 9 8 金科公司 南非 4 9 5 3 2 4 纽芒特公 司 美 国 1 2 3 9 7 1 0 1 1 J C I 公 司 南非4 5 4 7 3 3 金田有限公司 南非 9 7 9 4 1 1 1 2 诺曼底公司 澳大利亚 4 4 4 5 4 2 巴利克公 司 加拿大 9 5 9 8 1 2 1 4 阿 山提公司 加纳 3 6 3 2 5 6 普雷色 ‘ 多姆公 司 加拿大 8 0 6 0 1 3 1 3 A V黄金公司 南非 2 9 3 4 6 5 R T Z公 司 英国 6 7 6 0 1 4 1 5 贝塔 山公司 美国 2 7 2 8 7 7 霍姆斯塔克公 司 美国 5 7 5 4 1 5 一 哈莫尼公司 南非 2 4 1 9 8 9 麦克劳林公 司 美国 5 6 5 3 条带煤柱稳定性理论与分析方法研究进展 41 ， ． ． ， ． ≮≮≮ ‘ e ， } j I ， A ， I I ， 1 、I． ， 一 A ， ， k 维普资讯