专题-夹河煤矿条带开采煤柱稳定性研究.doc

1、专 题 部 分夹河煤矿条带开采煤柱稳定性研究摘要：为了揭示条带煤柱动力系统失稳的机理,丰富和发展条带开采优化设计理论，在综合分析大量文献的基础上，从煤柱的载荷和强度、煤柱的尺寸设计、煤柱的稳定性分析等方面对条带煤柱的稳定性研究现状进行了论述。研究指出目前条带煤柱缺少在长期稳定性和动力稳定性方面的理论研究，通过深入系统地研究条带煤柱非线性动力系统稳定性的主要影响因素，应用非线性动力学理论，建立条带开采煤柱变形、破坏、滑动等非线性动力系统稳定性模型和稳定性的判定准则和分析方法，找出影响系统稳定性的控制变量，研究控制变量的变化规律，用调整系统控制变量的方法来防治系统失稳。关键字：条带开采； 煤柱；

2、稳定性；非线性动力系统； 研究现状1绪论1.1问题的提出我国一次性能源消耗中，煤炭占70% 左右，且未来50 年仍然是我国国民经济发展的重要能源。未来几十年内，我国以煤炭为主体的能源结构不会改变，煤炭工业能否健康发展事关我国能源安全和经济可持续发展。随着矿井储量逐步减少，煤炭资源枯竭与经济发展之间的矛盾日益突出。我国生产矿井“三下”压煤相当严重约为137.64 亿吨。而且，这些储量大多集中分布于工业基础较好、开发条件较为优越、对煤炭需求较为迫切的经济发达的东部地区。因此，研究矿井“三下”煤层开采问题具有重大战略意义。从我国煤炭行业发展应用情况来说，条带采煤法是我国建筑物压煤开采的主要方法。条带

3、开采作为一种特殊的采煤方法有其自身的优缺点。条带开采最大缺点是条带开采回率低、资源损失严重，且生产效益较低；而其最大的优点是不改变采煤工艺的前提下，较幅度地减小地表下沉，在无法采取其它措施的条件下采出部分建筑物下压煤。因此在保护地面建筑物的前提下，如何提高条带开采回采率，提高条带开采的生产效益是条带开采中必解决的关键问题。1.2条带开采研究现状及问题条带开采源于房柱式开采，是将要开采的煤层区域划分为比较正规的条带形状，采一条、留一条，使留下的条带煤柱能够支撑上覆岩层的载荷，使地表只发生轻微的、均匀的移动和变形，达到既回收一部分煤炭资源，又能控制地表沉陷的目的。根据采空区顶板管理方式的不同，条带

4、开采可分为冒落条带开采和充填条带开采。条带开采覆岩与地表沉陷变形模型示意图如图1所示。图1条带开采覆岩与地表沉陷变形模型条带开采的研究内容我国在理论方面的研究内容涉及条带开采中的一系列基本问题，主要包括条带开采地表移动机理和规律、条带开采地表移动和变形预计、条带煤柱稳定性研究、条带开采参数优化设计研究等方面。（1）关于条带开采地表移动机理和规律方面条带开采地表移动和变形规律与长壁式全部垮落法相似，但目前普遍认为条带开采的岩层与地表移动机理截然不同于长壁式全部垮落法开采。在条带开采地表移动规律方面，通过建立条带开采地表移动观测站进行实测或采用其它研究方法，基本掌握了条带开采地表沉陷的主控因素以及

5、煤层和上覆岩层的强度、结构对条带开采上覆岩层和地表移动的影响。我国实测资料表明：条带开采下沉系数为全部垮落开采下沉系数的4.8%26.8%，垮落条带开采下沉系数为0.020.336，大多数小于0.2；水砂充填条带开采下沉系数在0.0090.04之间。（2）关于地表移动和变形预计研究方面尽管条带开采的岩层与地表移动机理不同于长壁式全部垮落法开采，但由于对预计方法的认知程度、参数确定等多方面的原因，目前条带开采普遍采用的预计方法是采用全部开采的地表移动与变形预计方法。其预计参数有：下沉(W)、下沉系数()、水平移动(U)、倾斜(i)、水平变形()、曲率(K)和主要影响角()、主要影响角正切(tan

6、)、主要影响半径(r)等，常用的是：下沉系数()、水平变形()、水平移动系数(b)、拐点偏距(s)、开采影响传播角()和主要影响角正切(tan)。（3）关于条带煤柱稳定性研究方面，煤柱稳定性是指在一定时间内、在一定的地质力和工程力作用下，因开采后煤柱内应力重新分布而出现弹塑性变形或裂隙，但并不产生破坏性的垮落和滑动。能否保证条带煤柱的稳定性是关系到条带开采成功与否的关键。煤柱的强度与诸多因素有关，包括煤柱自身的强度、煤柱的尺寸、煤柱的内部构造等，分为瞬时强度（主要有：a.核区强度不等理论；b.大板裂隙理论；c.极限平衡理论）和长时强度。Wilson提出的把煤柱在宽度方向分成两个区，即中心承受三

7、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。他认为煤柱两侧有0.00492mH宽的屈服区(m为煤层的开采厚度)，屈服区内为核区，核区的承载能力为4H。条带煤柱屈服区及其弹性核区如图2所示。P4H(a-0.00492mH)式中： P条带煤柱的荷载，MPa；a留设煤柱的宽度，m；覆岩的平均密度，MPa/m；m煤层的开采厚度，m；H开采深度，m。图2 条带煤柱屈服区及其弹性核区我国学者对Wilson公式进行了改进和补充：通过对三向应力状态下的煤柱极限强度影响因素分析得出A.H.威尔逊计算理论存在因简化带来

8、的问题，实验得出：宽厚条带煤柱屈服区宽度达到煤柱宽度的22.5%27.5%，最大侧向应力系数=0.40.8；应用突变理论建立了条带煤柱突变破坏失稳的尖点突变模型，认为条带煤柱核区率11.92%时，存在突变失稳的可能性。（4）关于条带开采设计研究方面在条带开采参数设计研究方面，一般认为有两个基本准则：一是条带煤柱有足够的强度和稳定性，从而能长期有效支撑上覆岩层的载荷；二是条带采宽应限制在不使地表出现波浪下沉盆地而呈现单一平缓的下沉盆地。目前有学者提出的宽条带开采方法在保证地表变形不超出设计要求的前提下，允许地表为非统一的下沉盆地，实现了在控制变形条件下提高条带开采宽度的目的。图3 条带开采煤层示

9、意图尽管条带开采取得了上述丰富的理论和实际成果，但在进行条带开采采宽、留宽应用以及地表移动和变形预计及其理论研究中还存在以下问题：（1）预计参数的研究较少在以前的研究成果中，注重了地表移动和变形预计理论的研究，而对地表移动预计参数的研究相对较少，造成条带开采预计时选取预计参数比较困难，特别是下沉系数等关键性参数直接影响到预计结果的精度乃至条带开采设计方案的确定。由于具体地质采矿条件的差异，直接采用工程类比方法或经验公式确定条带开采地表移动预计参数难免存在较大误差，必然导致预测结果与实际观测结果存在较大的差异。即使在同样的地质采矿条件下，目前有关经验公式计算结果也会相差较大。（2）在煤柱稳定性方

10、面研究不够在煤柱稳定性研究中，对煤层倾角、煤柱剥落、煤柱内节理裂隙、地下或采空区水等对煤柱的影响以及利用采空区破碎岩体对上覆岩层的支撑作用以减轻条带煤柱载荷的问题考虑不足，目前解决的方法是通过加大煤柱设计宽度增大安全系数，这说明对条带煤柱破坏失稳机理、过程的认识尚不够深入。（3）条带开采采宽、留宽优化设计方面存在缺陷在条带采留宽度优化设计方面，虽然有多种方法和理论可用于条带开采参数设计，但简单的经验公式或半定量化的计算公式通常考虑的因素不够全面，设计过程中存在一定的盲目性，这必然会带来设计参数的不合理。而复杂的定量化的公式或解析式在理论上虽然精确但其中部分参数或系数难以确定，从而限制了其应用范

11、围，造成目前条带开采的采宽选取随意性大，即采宽或宽深比变化范围大。（4）深部大采宽条带开采研究较少深部大采宽条带开采研究较少，随着开采深度的增加，大采深、大采宽条带开采的设计和地表沉陷的预计日趋迫切；对于深度大于500 m的条带开采地表沉陷预测参数选取目前尚无好的方法；部分公式是在开采深度小于500 m的条件下得出的，适用范围局限性大；如当采深为500 m时；由公式计算的条带开采水平移动系数为负值，显然是不合理的。此外，现有条带开采预计参数的计算公式考虑的因素不够全面，如条带开采的地表下沉系数与采厚有关，而现有计算公式均未能体现采厚对下沉系数的影响。（5）多煤层条带开采问题研究相对不足多煤层条

12、带开采问题研究相对不足，地表移动和变形预计理论及预计模型尚不够完善，导致预测结果与实际观测存在较大的差异，阻碍了条带开采的优化设计和效益的提高，在保证地面建筑物不损害或少量损害的条件下，提高资源回收率已成为当前条带开采设计与实践中的重要问题。条带开采煤柱的稳定与否是条带开采成败的关键. 煤柱稳定性是指在一定时间内、在一定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出现弹塑性变形或裂隙,但不产生破坏性的垮落和滑动。 煤柱作为“顶板-煤柱-底板”整体开采系统中的一部分,由顶底板的失稳或者由于开采引起煤岩体中应力的变化,当应力增加时煤柱边缘开始屈服或垮落,都可能导致煤柱缓慢或突变性的失稳.

13、目前,我国条带开采煤柱稳定性的研究主要包括煤柱的载荷和强度(包括瞬时强度和长时强度) 理论、煤柱的尺寸设计、煤柱稳定性分析等方面。2我国条带煤柱稳定性的研究现状2.1煤柱的载荷按照极限强度理论，当煤柱所承受的载荷超过煤柱的强度时，煤柱就要破坏，此时的煤柱是不稳定的。如果煤柱所承受的载荷小于煤柱的强度，煤柱就是稳定的，因此，正确估算煤柱所承受的载荷，是煤柱设计的关键步骤之一，计算煤柱所承受的载荷主要有有效区域理论、压力拱理论和A. H. Wil2son 两区约束理论等。1) 有效区域理论有效区域理论假定各煤柱支撑着它上部及与其相邻煤柱平分的采空区上部覆岩的重量。 煤柱的工作载荷是在煤柱影响区域内

14、的固定载荷。大多数条带开采中采出条带宽度较小，采空区内除直接顶冒落外，基本顶一般不冒落。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 p = ( a + b)H/ a , 式中: p 为煤柱平均载荷,MPa ； a ， b 分别为留设煤柱宽度和采出宽度，m ；为覆岩平均密度，kg/ m3 ；H 为平均开采深度，m由于煤柱边缘的破裂和松动引起的煤柱有效承载面积的减少，煤柱应力系数应增加为1.1。应力系数是条带煤柱在规定最小围岩压力状态下的应力与围岩实际工作压力状态下的应力之比，是个无量纲参数。当采出宽度比较大、

15、采空区冒落矸石直接接顶时,可利用King提出的方法计算采空区矸石承载能力。 King 认为,当煤体一侧未采、另一侧无限开采时，采空区内距煤壁0.3H处矸石承载的载荷为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，可以得到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 = ( a + b)H/ a - b2 / 1. 2 a 2) 压力拱理论由于采空区上方压力拱的形成，上覆岩层的负载只有很少一部分(即开采层面与拱周边之间构成的岩层重量) 作用到直接顶板上，其它部分的覆岩重量会向采面两侧的实体煤区(拱脚) 转移。最大压力拱的形状被认为是椭圆形，其高度在采面上下方分别约为采面宽度的2 倍。压力拱的内宽主要受上覆岩层厚度的影响，压力拱的外宽则受覆岩内部组合的影响(亦即与托板控制岩层的位置及几何力学特性有关)。如果采宽大于压力拱的内宽，则负载分布会变得很复杂，即一个拱脚在边侧实体煤上，另一个拱脚在采空区上，此时压力拱不稳定，有可能崩溃并伴随大量的覆岩沉陷。即使对于采宽小于压力拱内宽的条件，其稳定性也会随时间而发生变化，因此拱脚煤柱一定要有足够的强度。3) A. H. Wilson 两区约束理论A.H.威尔逊（wilson，1972）在假设的基础上，导出了方煤柱、长方煤柱和长煤柱在有核区或无核区承载能力与