专题-短距离薄煤层条带煤岩柱长期稳定性的研究.doc

1、短距离薄煤层条带煤岩柱长期稳定性的研究作者 张培森 魏延 张文权摘要 条带开采是短途薄煤层在建筑物下、铁路和水体下控制覆岩与地表沉陷的位移变形的方法之一。该方法具有重要的理论意义并且通过提高煤炭资源回采率和减少煤炭开采对环境的影响具有应用价值。数值模拟和现场测试方法采用研究条带开采短途薄煤层研究煤（岩）柱的长期稳定性。我们发现，条带采煤技术验证是可行的;十几米煤柱置换宽度相对最佳，并能呈现条带煤（岩）柱的长期稳定性。因此，条带开采技术为建筑物下，铁路和水体煤炭开采提供了新的思路。关键词：短距离的薄煤层;条带煤柱;置换开采;数值模拟;长期稳定性一、引言由于条带开采在控制覆岩与地表沉陷，保护地面建

2、筑物和生态环境中的重要进步 该技术被广泛用于煤矿在中国，以及大量的研究结果与实际观测数据都表明很好。条带开采实验研究已经完成对各种倾斜角度的煤层，包括急倾斜的和深部的煤层。理论研究也完成，如地表位移的机制和条带开采预测方法及地表位移参数，条带开采煤柱稳定和条带开采优化设计等。随着经济的快速发展，煤炭短缺正越来越突出。本文提供的条带开采计划在短途薄煤层，旨在提高煤炭资源的回收率。条带开采长期煤（岩）柱的稳定性关键，该方法结合数值模拟与现场试验，分析的条带开采在短距离薄煤层煤岩柱的长期稳定性。二、 模拟与分析A 模拟模型本文所用的模型是采用粘弹性双组分诺顿电力法和莫尔 - 库仑弹塑性模型的结合体，

3、此模型可以称为幂律黏塑性模型。总应变率 为三个部分，包括弹性元件 粘性元件 和塑料元件. = (1)弹性元件 只给出了应力速率的描述。粘弹塑性偏量分量表示为=2G() (2)其中 和 是应力和应变率张量的偏量部分，且G是切线剪切模量。 (3)体积应变是弹塑性，表示为K() (4)其中 , 和 K 是切线体积模量。 按照诺顿电力法规定，Von Mises应力为 q=(J=1/2) ，是第二个不变应力偏张量，活化蠕变和蠕变率蠕变流动的方向是从q的定义导出： 蠕变强度包括根据定义式两种组分其中 和 是该模型的参数。塑性应变率是由莫尔 - 库仑流程规则所定义，并且可以表示为其中塑料流动的方向 由莫尔

4、- 库仑势函数g的定义和塑胶流量强度的定义表达当莫尔 - 库仑屈服准则推导 时。角的产率和轴制剂在潜在功能的剪切屈服可以表示为： 产生张力: 其中 和 是最小和最大主应力; C是材料凝聚力; v为摩擦力; m是材料扩张力; 是拉伸强度;and 该模型的实现了电力法和莫尔 - 库仑规则密切关注。首先，粘弹性响应计算的时间步长, 然后主应力和主方向的计算和屈服准则进行检查。如果条件不满足，塑性应变增量都增加了工序，增量的强度为满足屈服准则F =0。这个过程遵循莫尔 - 库仑模型的实现提供，由粘弹性响应取代“弹性猜”的方法。B 模型分区根据昭坡煤矿的地质条件下，3维模拟模型建立后，以600米的倾斜方

5、向的长度，700米走的向方向（Y方向）和374米的垂直方向。因此，模型为600米700米374米，拥有258600区域和273128节点。为了提高计算精度，围绕工作面的网格进行加密处理，与其它网格和总网格的发散形状示于图1。该模型的两个侧面（横向方向）施加水平位移约束，基底面施加的垂直和水平位移的限制和模型的上部是地表与自由面C 分析计划 为了正确分析在短距离薄煤层条带开采中的不同煤柱宽度对于煤柱及地表变形的长期稳定行， 并且提供了条带开采在多个工作面的合理必要的科学依据，两种计算方案的设计。这第一种方案是分析在设置40米煤柱的情况下，不同的混凝土材料的替换宽度对地表变形的影响。包括5米、10

6、米、15米的塑性区域的三种计算计划。第二方案在第一个方案的基础上，分析的在选定采矿计划的前提下煤（岩）柱的长期稳定性。监测和原地点的布局如图（3），其中点1-5用于地表面和 煤（岩）柱深部位移，点6-9的用于煤（岩）柱动态应力的变化。三 结果分析图5和图6的关系曲线图表明 ，在条带开采煤柱宽度为5米，10米和15米开采时地表沉陷规律;不同的计划倾向方向的地表变形显示，煤柱的宽度增加地表沉降的最大最小值，例如，煤柱宽度为5米，地面沉降的最大值为60.5米;煤柱宽度为10米，地面下沉最大值是59.9米;煤柱宽度为15米，煤柱宽度最大值为59.8米。煤柱宽度增加5米到10米，地表最大沉陷下降了1 ；

7、而煤柱宽度宽度增加10米15米，地表下沉最大降低0.17 。因此10米煤柱宽度是相对优化的选择。图7 和图9表明，垂直位移增加时，规律是一致-3，然而，点的垂直位移增量都不算大，一年后显示器显示在1 是3.1毫米，在2 是5.6毫米和在3 是5.8毫米。该模拟结果与原地的值基本一致，并且垂直位移数值取决于监视时间。通过比较，我们发现，因为材料特性的差异煤柱两侧的垂直位移增量比煤柱内层的垂直位移增量随时间的变化小。图10显示出垂直应力随时间6 变化关系曲线。 6中的垂直应力具有明显的流变特性，并且可以看出垂直应力趋于六个月后垂直应力趋于稳定。模拟结果与现场值基本一致，而垂直应力随监控时间成对数变

8、化。因此，鉴于压力来说条带开采的煤（岩）柱可保持长期稳定。四 结论通过短距离薄煤层条带开采支柱的长期稳定性数值模拟。我们得出一些结论：模拟结果与现场结果基本一致;垂直位移和垂直应力的数值取决于依监控时间的长短。我们还发现了条带开采煤柱替换技术是可行的;煤柱置换宽度在十几米是相对最佳，并能呈现条带开采的煤（岩）柱的长期稳定性。条带开采煤柱的替换是一种新的方法对于在控制地表沉降的情况下提高煤炭资源回采率。对于煤柱的管理，减少了采空区巷道漏风，并且顺利完成了采空区侧入口巷道的维护，减少了开采的成本，减少每万吨的掘进率，缓解煤矿回采和掘进之间的关系，提高煤矿的生产效率和经济效益。致谢这项工作由山东科学

9、技术大学，矿山灾害预防控制教育部重点实验室完成。这项研究的赞助是来自于中国博士后研究项目基金（编号： 20090461257 ）和山东科技大学春蕾（ No.2009AZZ180 ）和山东科技大学研究基金（ No.2010KYTD106 ）和青岛市建委研究基金（ No.20109814 ） 。参考文献1地面控制技术的进展和前瞻性的研究和上覆岩层沉降比例的研究前景 J。郭文兵，邓嘉忠，邹友丰 中国安全科学学报，2005,15 。2分析条柱式开采的岩层移动研究J 。袁黎明， 王劲装 中国岩石力学与工程学报，1990,9 。3条带开采沉降的主要因素的分析及优化设计 J。胡丙南，袁亮。煤矿开采技术， 2

10、000,4。4在建筑物和水体，铁路及主要公路下煤柱开采的设计M。煤矿生产监督管理总局 中国煤炭工业出版社，北京，2000 。5郭广利;王岳汉;马战国。一种新的控制地表沉陷的采煤方法 J 。郭广利，王岳汉，马战国 中国矿业大学学报，2004。6 王煦春，黄福昌，张怀新，张联桂。讨论和改进威尔逊煤柱的设计 J 。王煦春，黄福昌，张怀新，张联桂 中国煤炭学会刊报， 2002。7当前条带开采稳定性的理论分析 J。谢和平，段发槟，周宏伟，赵国旭 中国矿业杂志，1998。8煤层中条带开采的设计原则 J。胡兵楠 煤矿设计， 2000。9IASCA咨询集团有限公司（拉格朗日快速算法分析），3.0版，用户手册。伊利诺州Itasca咨询集团有限公司 美国，2005。