浅析条带充填开采煤柱宽度和开采宽度的确定.pdf

科技资讯SCIENCE 2 在宽高比相同时,长方形煤柱比正方形煤 柱的强度高40 ,这是因为长方形煤柱的 周边较长,从而提供的侧限力较大。增加 煤柱的侧限力就能提高煤柱的强度和稳定 性。因此,采用条带充填开采法,不仅可以 提高煤柱的侧限力,而且可以改变作用于 煤柱上的载荷,减少顶底板的位移量,从而 增加煤柱的稳定性,提高底板的抗水压能 力,减少底板的移动影响深度,避免底板突 水的发生。 1 充填开采煤柱载荷的计算。 a brH a�Sp1 b�Sp2 1式中 a 煤柱宽度b 开采宽度r覆岩的密度H 采深 �Sp1 煤柱承受的平均载荷;�Sp2 充 填体承受的平均载荷 。则 �Sp1 1 b /a r H -b/a�Sp2 2从2式可知,煤体承 受载荷不仅与厚岩应力有关,而且与充填 体的承载力有关,充填体承受的载荷越大, 则煤柱承受载荷越小,其稳定性越好。 通过计算可以得到充填条件下煤柱及 充填体所承受的载荷 �Sp1 [a b/a c0b] rH 3�Sp2 [a b/a c0b] C0rH 4式中 C0 [E2 1 -μ 2 1- C1μ 2 1 E1C1μ21 μ2] /[ E11 -μ 2 2- C2μ 2 2 E2C2μ11 μ1 ], C1 E2aμ11 μ1 / [ E2a1 -μ 2 1E1b1 -μ 2 2], C2 bμ21 μ2/aμ11 μ1 E1、E2分别为煤柱及充填体的弹性模 量;μ1、μ2分别为煤柱及充填体的泊松比。 从上式可知,充填体的弹性模量及泊松比 越大,即充填越密实坚硬,系数C0越大,则 充填体承受的载荷越大,因而煤柱的载荷 越小。 由广义虎克定律与协调方程可求得充 填时煤柱的侧应力σ1,σ1 C1�Sp1 C2�Sp2 5将3 4式代入可得σ1 [C1 C0C2 a b / a c0b ] r H 6上式表 明,煤柱的侧限力与煤柱及充填体的力学 性质及开采参数有关。即使充填体没有承 载能力时即 �Sp2 σ ,煤柱与充填体间仍 存在着侧限力C1�Sp1,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 柱强度和稳定性的作用。 2 充填开采煤柱强度计算。 煤柱强度可用下式表示 σp Aexp [2σc1tgФ/σt1mx ] - c1ctgФ 5 式中 Ф-煤与顶底板接触面间的内磨 擦角;C -煤与顶底板接触面间的内聚力; σt-煤的强度;σc -立方体试柱强度;m - 煤柱高度。当x σ时即煤柱边缘处 , σp σ1侧 应 力,此 时σp σc σc1σ1/σ1代入7式可得σp1 [σc c1ctgФ σc1 σ1 /σ1 ] exp [ 2σc1tgФ / σ11m]x - c1tgФ 因为内聚力C较小,可忽略不计,则 σp1 σc [ 1 σ1 /σp exp [ 2σc1tgФ / σ11m]x8 上式即为充填条件下,煤柱强度的计 算公式,也是充填开采能提高煤柱强度的 原因。 同理可以求得煤柱的最大强度σp1m, 位于煤柱中央主平均强度 最大强度σp1m σc1 σ1 /σpexp 2σc1tgФ/σ11m 9 平均强度 σp1 m σ1 σp atgα{ exp [aσe1tgФ/σ11m- 1 ]}煤柱一侧破坏 区的长度 xc σ11m/2σc1tgФ1ln [�SP/ σc1 σ1 /σp ]11 当煤柱的平均强度大于或等于煤柱的 载荷时,煤柱保持稳定 。即 �OP1≥�SPT可 以得到{ exp[ σa1tgФ /σp1m ] - 1}≥a a br H12上式即为保持充填煤柱稳定, 煤柱尺寸及开采参数所应满足的关系式。 3 充填开采煤柱宽度及开采宽 度的确定。条带充填开采煤柱及采宽 的确定原则如下。 311 保持煤柱长期稳定。为保持煤 柱长期稳定,煤柱的强度必须保证不小于 作用于煤柱上的载荷,即 �OP1≥�SPT13 代入3、10式整理得a c0b σ1 σp mctgФexp [ aσc1tgФ/σ11m - 1 ]≥a a br H 14 上式为条带充填开采保持煤柱稳定, 煤柱的尺寸与采高、 采厚的关系式。 312 煤层开采后不造成底板突水。 为不导致煤层底板突水,则煤层开采后所 产生的采动裂隙带深度h12加上保护层 的厚度h02不大于底板岩层的厚度h。 即h12h02≤h 15 因为煤层开采后不能立即被充填,所 以底板保护层的厚度可表示为 h02 b1Q. SP-rh12 /St 16 式中P -底板承受的水压; S -底板承 受的水压;同时满足13、15式,即为底 板承压水上条带充填开采所需留设的合理 煤柱尺寸和采宽。 为避免二次跳车,常在搭板的尾端加 设一段浅埋的变厚式埋板,其长度一般取3 ～5m,对于水泥混凝土路面,也可将与搭 板连接处的路面板改为变厚式板。在搭 板、 埋板或变厚式板的下层,为保证与桥台 连接部位的刚柔层次在水平和垂直方向均 能渐次变化,建议采用强度及回弹模量均 高于其它路段相对应的路面结构层材料, 以提高该部位的整体受荷和抗冲能力,有 利于减少错台幅度,调整不均匀沉陷,改善 桥头跳车或二次跳车现象。 31313 采用过滤性路面 根据桥涵的长度和路基的容许工后沉 降值计算等情况,在桥头一定长度范围内 铺设过渡性路面,待路堤沉降基本完成一 般为3～5年后,再改铺原设计永久性路 面。常用的过渡性路面类型有预制水泥混 凝土六棱块边长3416cm、 厚20cm、 条石 铺砌25c m25c m40cm、 半刚性过渡层 或沥青表处过渡层等。其中水泥混凝土六 棱块和条石铺砌仅适应于水泥混凝土路 面,最大优点是翻修处理速度快;但不易铺 砌平整,行车仍有抖动感觉,且其砌缝应采 用防水材料,以防渗入雨水损害路基。值 得推广的简便有效方法是沥青表处过渡层 类型,其优点是当出现较大沉降时,及时补 充铺设一层沥青混凝土或沥青砂,以能确 保行车畅顺,有效避免跳车现象。 参考文献 [1 ]JTGF - 2004,公路软土地基路堤 设计与施工技术规范 工 业 技 术 2005 NO. 27 科技资讯SCIENCE TECHNOLOGY I NF ORMATION 科技资讯