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要 条带开采煤柱稳定程度的 研究 煤炭科学研究总院北京开采 所堡 垒生 河北煤炭建筑 工程 学院采矿 系 郭鑫 禾 肖奎仁 ●●_ _一 毛 擅要根据我国条带开采的实际情况，本文提出了条带煤柱盅力及强度的计 算公式，进而分析 了冒落条带及充填条带煤柱的穗定程度，并提出了保持煤柱稳定 所 需 留设的煤柱尺寸 及条带开采宽 度。 关 键词 釜堂丑噩， 苎垄生盘 1 前盲 锈 条带 开采 方珐 就是将煤层块段划分成比 较正规的条带形状 ，采一 条留一条。当采留 的条带尺寸 台理时， 保留的条 带煤 柱能 够承 受上覆岩层的部分载荷。因此，煤层】 面 底板 的破坏程度较低，地表只发生轻微均匀的移 动和变形 。所 以，条带开采被广 泛 应 用 于 三下一上 采煤之中，我国抚顺、阜新、 南 桐，鹤壁、丰城等煤矿己成功 地 在 水 体 下，建筑畅及铁路隧道下进行 了条带 开采 。 目前国内外在评价煤柱稳定程度时主要考虑 以下几个方面的内容； 1 作用于煤柱上的载荷 | 2 煤柱内部的应 力分 布j 3 煤柱的强度 | 4 煤柱 与顶板 、雇板 的相互作用。 在确定煤柱合理尺寸时，首先必须考虑 作用于煤柱上的载荷。目前最简单的确定煤 柱载 荷的 方珐 为 “ 辅助面积 理论，采用这 种方法需要有一些假设条件，但其计算结果 足以满足采矿工 程的要求 。在 不考虑假设条 件的前提下确定煤柱载荷是很复杂的问题， 但是能够借助于计算机数值计算及相似模型 实验 来解 决 。 煤柱 强度的研究主要集中在两个方 面 一 是在实粒室进行煤样品的强度试验J悬 柱破坏 区煤拄稳定 原 位采 用液压千斤 】 面对煤 柱进行加载 试 验，求得 煤柱强度 ，从 1 8 3 3 年至 今，经过 一 个 多世 纪的 研究发现 ，煤柱 强度 ， 与 煤试 样的强度 成正比 ，并且煤柱强度 随着煤柱宽高比 。 ／ m 的增加而 增大。所 以 ，我们 能够应 用实验室测得煤柱的 强度来 预计现场煤 柱的强度 2 条带 煤柱 应力计算 2 ． 1 冒落条带煤柱应力计算 条带煤柱 的设计原 剐是 保证煤 柱能够长 期支撑顶底板而不发生破坏，因此，计算中 要考虑煤柱的最大承载状态。在 这 种 状 态 下，上覆岩层的重量完垒由煤柱承受。由于 条带煤柱为矩形 的长煤柱 ，所以可采 用 图 1 的简化模型来计算煤柱的平均载荷 即作用 于煤柱 上的平均应 力 。由静力平衡条 件 可 知 l 口 6 y H 口 ， S， 1十 扫_ 1 式中S， 冒落条带煤柱 的平均应 力} 口 煤 柱 宽度 } 6 开采 宽度 J H 采深 J 覆岩的平均容重 。 2l 维普资讯 苫 ＼ ab 【 -i 芏 b _ 匕 I ■一 图 1 冒落条带平均应力计算模型 d／h 图 2 煤柱平均应力计算曲线 a， 五 图 3 煤柱平均应力实测曲线 圈 2为采 宽 62 0 m，采澡 日 4 8 5 m， r 2 5 k N／ m 。 ，按公式 1 得 出的 煤柱平均 应 力与煤 柱宽度及采深 比的 曲 线。可 以 看 出， 当煤 柱尺 寸较小 时 ，煤柱应 力很大 ，所 以条带开采对应避免 留设小煤柱 。图 3为平 均采瀑为4 8 5 m处煤 柱应力 的实 测 曲 线 ，它 与图2 得出的计 算曲线变 化趋 势相一致 。 2 ． 2 充填条带攥柱应力 计算 当条 带开采 的采 空区被充 填体充填后 ， 煤 柱与充填体共 同承受上覆 岩体的应 力。同 样的计算方法 可得 口6 日 n S， 1 6 S r 2 所以 ， n v H ～ S， 0 Ⅱ Ⅱ 式 中s， 煤柱的平均应 力， s， 充填体上 的平均应 力。 从上式 可知 ，煤 柱的平 均应 力不仅与原 岩应 力有关， 而且与充填体的承载能 力有关 ， 充填 体承受的应 力越大，则煤 柱 的 应 力 越 小 ，其稳定性 越好。通过计算可以得 到充填 条佧 下条 带煤柱及充填 体所 承受盼载荷 。 s， lI 3 式 中 0D 等 日 4 墨 曼 t 1 t l 一Gt I G I GI I 1 1 c - 等 E 、 分别为煤柱及充填 体 的 弹 性楱量| t、 。分别 为煤 柱 及充 填体 的泊 栓比。 从上式可知，充填体的弹性楱量及泊松 比越 大，即充填越密实坚 硬，c。 越大，则充 填 体的应 力越大，因而煤柱上的应 力越小 。 考虑到最理想的条件下，即当充填体的物理 力学性质与煤柱 相同时，即 E E。 ， ， 时 ，煤 柱 与充填体的应 力均为 日 ，这相 当 于开采前 的情况 ，在这种状 态下最有利于 操柱的稳定。 式 1 与式 3 比较后可知． 充填前煤柱上的应力是充填后 的 1 b C。 ／ 0 倍，即 ． l 5 j S ，1 0 有限元计 算结 果表 明，碎煤 灰充填后煤 桂上的应 力比充填前减小 了3 0 左右。充填 后采窒区 充填体所承受的应力比充填前 维普资讯 提 高了约 2 倍。 由广义虎克定律及协调方程可求得充填 时煤柱的侧限 力 。 l C1 ， 1 C2 r 2 即 等等 盟 日 6 口 十 L D 上式表 明，煤桂 的侧限 力与煤柱及 充填 体的力学性质 及开采参 数有关 。并且 可知 ， 即使充 填体没有 承载能 力 时 s ， 0 ，煤 桂 与充 填体 问仍 存在着侧限 力C- s一所 以， 充 填采 空区后提高 了煤柱 的侧 限力，从而起 到 了提高煤柱稳 定性 的作用。 条带煤挂 强度计算 t ．1 冒落条带媒柱强度计算 煤柱强度 受煤 柱尺寸 ，煤柱形态 度等 条 件的控制 。为 了确定煤 柱强度 已经进 行了大 量的 实验室试验及 原位试 验 ，得 出了多种 煤 柱强度 的经验公式 。 。 ， 打 口 ， r 图 4 燥柱强度计算示意图 利 用煤 柱强 度理 论，在煤柱 内任取一 长 为， ，高为m 煤 厚 ，宽为 d x的小单 元体 见图4 。根据力的平衡条件，当单元体处 于平衡状 态时 沿 方向的台力为零。 即 2 c - ， 口 ， ， 一 d t rn o ． ． ．2c2c , r 9 一 m o Ⅱ 式中C、 分别为煤柱 与顶底板接 触 面 的 内聚力及内摩擦角。 假定煤柱发生破坏时，其应力满足莫尔 库仑强度理 论，则 一 三 一 1 P f J 解上述 两式后可得 r 一 c ． c 系数 Cc 式中 、 分别 为煤 样的单轴 抗压及抗 拉 强度 。 当 O 时， 0 ， ， 代入上式解得 ， ec -c t gk C e 卜 2 o c t g q 一 C - g 7 实验结 果表 明，煤层 与其顶底板 闻的 内 聚 力较小 ，较煤 的抗 压强度小三个数量级 ， 所以，内聚 力c可以忽略 不计， Ⅱ 煤 柱 强 度 公式 可简化 为 ， 。 e x pC 2 x cl f ／ m 。 ] 8 式中 为煤桂宽 度的一半 。 通过 8 式可 以做 出 煤柱强 度包络线 图5 ，当煤柱 的应 力位 于此 包 络 线 以 内 时，煤柱不发 生破 坏，否则煤 柱发生破坏 。 图 5 煤柱 强度包络线 当 0 时 ， ， 。 ，即煤柱边缘处的强 度为煤试样的强度| 当 导 时， ， 。 e x p C a r 。 t g ／ Itl G ] ， 为煤桂的最大强度值，印在煤柱中心部稳定 性最好 ， 其强度为煤样强度的 e X p C a C g ≠ ／ m ] 倍。 通过 8 式可求得煤桂强度的平均值 一 1 ㈨ 因 为 音 } { 圭 耋 詈 ， 所 以 ， 煤拄平均 强度可写成 维普资讯 [ a Pt o ㈨_1 ] ⋯ c ， 由上式 可以做出煤桂平均 强度与煤 柱宽 高比的关系曲线 图6 。从图中可以看出， 煤 柱强度随 着其宽高比 的增大而 增大 。通过 与其它公式 比较 可知 ，本文提出的公式与观 制数据 更加 吻合。 0 __ _ _ 4 6 8】 0】 2】 4 I 6 口／m 图 6 煤柱强度与煤柱宽高比的关系 本文， [ -1 3 1 ， ／ 。 叠D ． 6 D ． 3 6 日 ／ 2 0t 0。 互 √af m 3 ， ／ o 0 ． 7 聃 0． 2 2 2 a i m 5 ． 2 克 填条 带堞 柱强度计 算 与前面的计算模 型相同， 度 忽略 内橐 力c 4 条带谋拄穗定性分析 4 ． 1 冒落条 带堞 柱稳 定性分析 在 已知 作用于煤柱上的应 力 ， 条件 下， 利用亏 ， 。 可求得煤柱破坏区的长度 。 即 e x p 2 x c r t o ／ ma‘ ] ， 得 一 h 告 1 5 上式 即为煤拄一佣破坏区的长度，未发 生破 坏 的中间核区 亦称弹 性核 区的长度 为 d a一2 a一 ， O e ot I 6 。 ’ 据此 可讨论煤柱的稳定程度 1 当 詈 肘 ， 即 a 丢 时 ，煤柱稳定 J 2 当 一号 时 軎 可得 到煤柱强 肘 ，煤柱 处 于『 l缶界状态J A l e x p 譬 当 o N“ ， l 佣限 力 ， 此时 ， 代入上式计算后可得充填条 件 下 煤 桂的强 度 ， l t 1 } P 0 g ≠ ／ 仇 1 1 上式与未充填条件下比较可知，充填后 煤柱强度是充填前的 1 罟 倍， 这就是充 填开采能够提高煤柱强度的原因 。即 旦 1 L f l 2 盯， ‘ 同理可以求得煤柱 的最大强度 ， - ． 位 于煤柱中央及平均强度 m ㈨- a{ 1 P p [ 口 c f g ／ Ⅲ I 1 3 3 当 旦 肘 a ， 丢 时，煤柱 失稳 。 当煤柱的平均强度大于或等于煤柱的平 均应力时， 即 ， ≥ ， ，煤柱将 保持 稳定。 即 竽 一 ] ≥ 日 ， 所 以 ， 煤 柱 的 采 宽 、 留 宽 及 采 高 应 满足 m r [ e x p 一 1 一 ． J ≥ a6 日 1 7 上式即为保持煤柱稳定时煤柱的几何尺 寸所应满足的关系式。通过澄台矿务局扳家 河煤矿 实测验算 ，效 果较 好。 4 ， 2 克填条带蝶柱稳定性分析 维普资讯 系 一 歹 条 带 开 采 应 力 关 系 分 析 陕西省煤炭科学研究所 王云虎张少春 踩 岔 季 ， 己 移 ≥ 文 稿要对条带开采的采宽与工作面矿压之 问及柱宽与牒柱应力之间关系进行 了探讨 ，提 出选 择台 理采 留 比的新 思路 。 关蕾饵周期来压步距媒柱应力 应力迭加 前 官 矿山压力是岩体产生移动和 变 形 的 根 据 f ，在以往的岩层和地表移动中，通常只着 重于移动和变形规律研 究，很 少与矿 山压 力 结奋起来进行。为了揭示岩层与地表移动的 力学本质，在蒲白矿务局马村矿 条 带 开 采 以下简称 条采” 研究中，在地表 建 立 网状观 溯站进行观钡I 的同时 ，还在井 下对条 采 的矿 压与煤柱应 力进行观测 ，从观 测资料 分析中 ，发现 条采 的采宽与工作 面 矿 压 之 间，媒桂宽与媒柱应 力之 间有着极为密切的 关 系 ，结合矿 山压力理论 ，对 条采 覆岩和地 表下沉机理给以合理解释，从而为合理选择 采 留宽鹰提 出新 的思 路 1 研究区概 况 条采研究区在马矿过渡采区，开采上石 炭统太原群5 煤层，覆岩从下向上依次 为下 二 迭统 山西 组，下石盒子组 ，第 四 系 黄 土 层J岩层以砂 岩，砂质页 岩为主 。研 究分 两 个阶段进行J第一阶段为采区上山段，第二 阶 段为采区 下山段。工作 面布置见 图 l ，条 采 中主 要地 质采 矿参数见表 l 。 图 l 条采平面与地表观测 网布 置示意图 同样可求得煤 柱一侧破坏 区的长度 ， ㈣ 当 一≤； 时 ， 即a ≥ ， 对 ， 煤柱将像持稳定。 同样可以得出保持充填条带媒柱稳定， 煤柱尺寸及 开采 宽魔所满 足的关系式，即 n c c ，口 ； [口 p f 1 一 l 。 H 1 9 ＼ 打 ， J 责任编辑徐掉亚 维普资讯