全采區與條采區隔離煤柱留設寬度研究＊

劉 貴 徐乃忠 鄒友平

(天地科技股份有限公司開采設計事業部,北京市朝陽區,100013)

全采區與條采區隔離煤柱留設寬度研究＊

劉 貴 徐乃忠 鄒友平

(天地科技股份有限公司開采設計事業部,北京市朝陽區,100013)

根據威爾遜(Wilson)煤柱載荷理論,分析了兩側采空區在不同寬度情況下煤柱所承受載荷的計算公式,并根據相同的推導原理,得出了全采區與條采區隔離煤柱所承受載荷的計算公式。根據煤柱安全系數的可靠取值,推導出全采區與條采區隔離煤柱最小留設寬度的計算公式,并通過實例分析,得出在進行條帶開采設計時,要根據隔離煤柱留設寬度的計算公式進行單獨設計,以保證隔離煤柱的穩定性。

條帶開采 隔離煤柱 煤柱寬度 煤柱穩定性 計算

很多科研人員在進行條帶開采設計時,對條帶煤柱留設寬度計算得比較準確,而常常忽略全采區與條采區隔離煤柱寬度的計算研究,錯誤地認為隔離煤柱寬度等同于留設的條帶煤柱寬度。在相同的地質條件下,從理論上講,隔離煤柱最小寬度大于條帶煤柱最小容許寬度,故當隔離煤柱取條帶煤柱寬度,并當取值在容許范圍內偏小時,容易造成隔離煤柱不能滿足穩定性要求,導致其首先失穩,其所承受的載荷將轉由相鄰條帶煤柱承擔,當其相鄰煤柱難以承擔附加載荷時,這些煤柱亦將破壞,這一過程將迅速擴展到整個條采區煤柱,產生多米諾骨牌效應,致使條帶開采失敗,造成重大損失。本文將通過煤柱載荷理論對全采區與條采區隔離煤柱寬度進行計算分析。

1 煤柱載荷理論

正確估算煤柱所承受的載荷,是煤柱設計的關鍵步驟之一。對于如何計算煤柱所承受的載荷,國內外相繼提出了一些假設和理論,包括壓力拱理論、有效區域理論和威爾遜(Wilson)理論。

威爾遜(Wilson)兩區約束理論建立在煤柱三向強度特性的基礎上,克服了其它方法的缺陷,因而更加有用和可靠,得到較廣泛應用,故本文將根據威爾遜(Wilson)理論對煤柱承受的載荷進行分析計算。

威爾遜(Wilson)(1970年)認為上覆巖層的重量并非完全由煤柱承擔,冒落在采空區的巖石同樣也承擔一部分上覆巖層的重量。在計算采空區分擔的載荷時,威爾遜(Wilson)采用了金(King,1970)的結論,采空區承擔的載荷量與采空區內各點頂板閉合量有關,即采空區垂直應力和距煤壁的距離成正比,當該距離達到0.3 H(H為采深)時,采空區垂直應力恢復到原始載荷γH。根據這一理論得出煤柱承受載荷的計算公式,分兩種情況進行敘述。

(1)煤柱兩側采空區寬度即采出條帶寬度b小于0.6 H時。

條帶開采時,為保證地面不出現波浪形下沉盆地,通常取采出條帶寬度即留設煤柱兩側采空區寬度相等且b≤H/3,同時,要求煤柱存在核區,因此,在計算條帶煤柱實際承受的荷載Ps時,按圖1所示的情況計算,由三角形相似可知:

此種情況下煤柱實際承受的載荷Ps數值上等于陰影部分的面積:

式中:a——留設煤柱寬度,m;

γ——巖石容重,kN/m3。

圖1 煤柱兩側采出條帶寬度b小于0.6 H時煤柱載荷示意圖

(2)煤柱兩側采空區寬度b1、b2均大于0.6 H時。

此種情況下,煤柱承受載荷示意圖見圖2,煤柱實際承受的載荷Ps數值上等于陰影部分梯形的面積:

圖2 煤柱兩側采空區寬度b1、b2均大于0.6 H時煤柱載荷示意圖

2 全采區與條采區隔離煤柱寬度的計算

根據威爾遜(Wilson)理論可知,煤柱兩側采空區寬度不同,煤柱所承受載荷的計算公式也不同。條帶開采時,全采區與條采區的隔離煤柱兩側,一側是條帶開采采空區,其寬度即為采出條帶寬度b小于0.6 H,一側為全部開采的采空區,其寬度為采空區寬度b1大于0.6 H,則隔離煤柱的承受的載荷應是威爾遜(Wilson)理論兩種情況的結合,其承受載荷示意圖見圖3。

圖3 全采區與條采區隔離煤柱載荷示意圖

此種情況下煤柱實際承受的載荷Ps數值上等于陰影部分的面積:

煤柱穩定性評價通常用煤柱安全系數K=Pj/Ps(Pj為煤柱的極限載荷)進行計算分析,根據Wilson理論,煤柱的極限載荷Pj可用下式進行計算:

式中:m——采厚,m。

采用全部跨落法管理頂板,按三向受力狀態計算,安全系數K一般大于1.5即能滿足煤柱的長期穩定性,即:

根據式(4)、(5)、(6)可推導出隔離煤柱最小留設寬度ag計算公式為:

而條帶開采煤柱最小留設寬度at根據式(2)、(5)、(6),可得出其公式為:

3 實例分析

江蘇徐州龍東煤礦,西一采區設計準備4個工作面(編號分別為7161、7162、7163和7164工作面)進行回采,而采區上方有2個村莊,通過分析研究,在劃定村莊保護煤柱后,決定在村莊保護煤柱外,煤層全部回采,村莊保護煤柱內采取條帶開采方法進行部分回采。煤層采厚5.2 m,各工作面平均采深分別為314 m、394 m、474 m和534 m,經優化分析后,推薦各工作面內條帶開采區域采留寬尺寸見表1,采出率均為50%。

表1 西一采區各工作面條采區域推薦采留寬尺寸m

根據表1可知,各工作面條帶開采區域設計留設煤柱寬度均大于根據式(8)計算的條采最小留寬,滿足煤柱穩定性要求,但把條采留寬簡單的作為全采區與條采區隔離煤柱寬度的話,則嚴重影響了煤柱的穩定,因為各工作面條帶開采區域留設的煤柱寬度均小于根據式(7)計算的隔離煤柱最小寬度(見表1),不能滿足煤柱穩定性要求。故進行條帶開采設計時,不僅要進行條帶開采留寬度的設計,還要進行隔離煤柱寬度的計算,以保證條帶開采的成功,確保地面建筑物的安全使用。

4 結論

(1)根據威爾遜(Wilson)煤柱載荷理論分析了煤柱兩側采空區寬度不同時,煤柱承受載荷的計算公式,并得出了煤層全采區與條采區隔離煤柱寬度的計算公式。

(2)通過實例分析,在進行條帶開采設計時,不僅要進行條帶采留寬度的設計,還要進行全采區與條采區隔離煤柱寬度的計算。不能簡單地把隔離煤柱寬度等同于留設條帶寬度進行設計,這樣很難滿足煤柱穩定性要求,存在條帶開采整體設計失敗的危險。

[1] 劉貴,張華興,徐乃忠.深部厚煤層條帶開采煤柱的穩定性[J].煤炭學報,2008(10)

[2] 劉貴,韓邦華,邢峰等.條帶開采煤柱塑性區寬度的數值模擬與計算[J].煤炭科學技術,2009(3)

[3] 吳立新,王金莊,郭增長.煤柱設計與監測基礎[M].徐州:中國礦業大學出版社,2000

Astudy on width of isolating coal pillars left between all mining area and strip mining area in coal mines

Liu Gui,Xu Naizhong,Zou Youping

(Coal Mining Design Department,Tiandi Science&Technology Co Ltd,Chaoyang district,Beijing 100013,China)

According to Wilson’s theory about coal pillar loads,coal pillar load calculation formula of both sides of the mined-out areas in the case of different width is analyzed in this paper.Also based on the same principle,coal pillar load calculation formula for isolating pillars between all mining area and strip mining area is obtained.According to reliable values of coal pillar safety factors,calculation formula about minimum width of isolating pillars between all mining area and strip mining area are derived.And through case analysis,it becomes clear that w hen designing for strip mining,the design should be carried out separately on the basis of the calculation formula for the width of isolating coal pillar so as to ensure the stability of isolating coal pillars.

strip mining,isolating coal pillar,coal pillar loads,coal pillar stability,calculation

TD823.7

A

煤炭科學研究總院青年創新基金資助項目(2008QN60)。

劉貴(1980-),男,安徽蒙城人,碩士,工程師,2004年畢業于中國礦業大學采礦工程專業,2007年獲煤炭科學研究總院采礦工程碩士學位,主要從事“三下”采煤及相關研究工作。在《煤炭學報》、《煤炭科學技術》等雜志發表論文10余篇。

(責任編輯 張毅玲)