采場超前煤柱穩(wěn)定性以及可控性分析

摘要:目前，我國許多煤礦在煤柱回收的過程中，均出現(xiàn)過采場超前煤柱被剪壞或壓壞的情況，因此在煤柱回收過程中專業(yè)技術(shù)人員首先要解決采場超前煤柱的穩(wěn)定性問題。筆者結(jié)合多年的工作經(jīng)驗首先對采場超前煤柱的受力進行介紹，進一步對采場超前煤柱穩(wěn)定性進行分析，最后對采場超前煤柱穩(wěn)定可控性進行了探討。

關(guān)鍵詞:煤柱回收；采場超前；穩(wěn)定性；可控性

1采場超前煤柱受力分析

在煤柱的回收過程中，頂板經(jīng)歷了直接頂和老頂?shù)某醮蝸韷汉椭芷趤韷旱倪^程。從回收煤柱開始，采場推進到一定距離后，直接頂垮落。隨著采場的繼續(xù)推進，直接頂進入正?？迓潆A段，老頂開始發(fā)生離層、彎曲沉降、斷裂，最后回轉(zhuǎn)下沉，引起工作面壓力的急增。這個階段稱為老頂初次來壓階段。初次來壓完成后，采場進入正常推進階段。此階段老頂巖梁將隨跨度的不斷增加繼續(xù)發(fā)生斷裂、回轉(zhuǎn)下沉和引起工作面來壓，就是常說的周期來壓?？梢钥闯?，不管是在初次來壓階段還是周期來壓階段，老頂都經(jīng)歷了彎曲沉降、斷裂、回轉(zhuǎn)下沉的階段。頂板比較軟時，頂板在采空區(qū)的跨距不會太大，有可能隨采隨冒；當頂板比較堅硬時，頂板的在采空區(qū)的跨距一般會很大，并且老頂一般都超前斷裂。由砌體梁理論得知，隨著工作面的向前推進，上覆巖層所形成的砌體梁的穩(wěn)定性主要受B、C兩巖塊控制。它既要防止在 (老頂轉(zhuǎn)動角)較小時(巖層剛剛斷裂時)可能形成的滑落失穩(wěn)，即:

式中T-巖塊保持平衡的水平推力；

?漬-巖塊間的摩擦角；

QA-砌體梁結(jié)構(gòu)的最大剪切力。

又要防止在?茲l增大時因鉸接點被擠碎而形成的轉(zhuǎn)動變形失穩(wěn)，即:

式中：a-咬合點處接觸面積，m2；

-接觸面處的擠壓強度。

由支架和圍巖的關(guān)系得知，采場直接頂?shù)膭偠炔煌?，老頂與直接頂?shù)霓D(zhuǎn)動角的大小就不同。在煤柱回收的過程中假定直接頂為似剛性的力學(xué)模型，采用這樣的模型，是考慮到采場超前煤柱受到最大的剪切力而具有危險性。這樣假定以后，老頂和直接頂?shù)霓D(zhuǎn)動角就基本相同。

2 采場超前煤柱穩(wěn)定性分析

2.1 剪切失穩(wěn)

由采場超前煤柱的受力分析得知，當基本頂?shù)幕剞D(zhuǎn)角較大的時候，煤柱受到的剪切力就會變大。眾所周知，巖石的抗剪強度比抗壓強度低的多，因此當剪切力大于煤柱的抗剪強度煤柱就會發(fā)生失穩(wěn)。其失穩(wěn)準則為:

隨著工作面的推進，采場超前煤柱在走向方向上的尺寸越來越小，其承受剪力的能力也在變小，所以煤柱破壞的可能也越來越大。煤柱和底板之間一般是煤和巖石的接觸，其粘結(jié)力一般來說比煤柱的低。如果摩擦系數(shù)也不大時，底板的承受剪切力的強度就不會很大。因此當剪切力大于底板和煤柱交界處所能承受的抗剪強度時，破壞首先發(fā)生在底板和煤柱的交界處。當煤柱中存在節(jié)理、裂隙和若面的時候，工作面超前煤柱失穩(wěn)更容易在煤柱中發(fā)生。

2.2 受壓失穩(wěn)

由于煤柱受到上覆巖層垂直壓力的作用，并且隨工作面的推進，采場超前煤柱的尺寸逐漸減小，所以煤柱也可能被壓壞。工程中在垂直應(yīng)力作用下的失穩(wěn)準則一般采用極限強度理論。在回收煤柱的過程中，當遇到比較小的煤柱的時候，一定要加強支護或采取其它措施。以免煤柱被壓壞。

3 影響煤柱回收因素分析

影響煤柱回收因素中除了煤柱的穩(wěn)定性之外，還有以下幾個方面的因素：

3.1上覆巖層的組成

上覆巖層的組成不僅關(guān)系到煤柱尺寸的確定、設(shè)備選型、頂板管理方式以及開采工藝的選擇等，而且還影響到礦井的經(jīng)濟效益。房柱式開采法要求煤層上覆巖層具備在合理尺寸的煤柱和臨時支護的控制卜，開拓準備且_程能安全的完成，而在煤柱被后退回收后又易于垮落的條件。頂板巖層松軟，煤柱回收時，頂板管理困難，易發(fā)生事故，且為了支護松軟的頂板，需要留設(shè)較大的煤柱，煤炭損失大，不經(jīng)濟;頂板十分堅硬，煤柱回收后，可能形成大面積懸頂，將導(dǎo)致殘留煤柱上的壓力集中，會形成大面積的冒頂事故，造成人員傷亡和遺棄大量的煤炭，而為了防止大面積的冒頂事故，則需實行強迫放頂，增加了成本，也不經(jīng)濟。

3.2 底板巖石的組成

由于底板在過高的頂板壓力作用下會發(fā)生塑性流變，引起煤柱鉆底。因而，在確定煤柱尺寸、開采方法和煤柱回收的時候，必須考慮底板的巖石狀況;但由于頂板高壓力引起的底板輕微上鼓都可使兩幫煤柱顯出頂板的應(yīng)力得到卸載，可提高頂板的穩(wěn)定性。理想的開采條件是有堅硬的頁巖底板，并且頂、底板和煤柱有足夠的讓壓能力。

3.3地質(zhì)構(gòu)造

異常的地質(zhì)構(gòu)造影響著開采方法的選擇。當煤被侵蝕，出現(xiàn)頂板下沉、或底板上鼓，形成煤層尖滅區(qū)，或煤層中出現(xiàn)夾層及巖床或粘土巖脈時，由于存在一些滑移面，因而采用后退式開采法是危險的。煤層中存在著小到幾毫米，大到幾米的硫鐵礦結(jié)核，會妨礙開采作業(yè)，使煤柱的回收速度放慢。而當巖層中存在不同于巖枕的，由老樹千、化石樹干、礦物或動物骨骼等形成的零星巖塊時，由于其與煤或頂板巖層膠結(jié)很差，可能突然的掉下來，因而在回采煤柱遇到這類情況時，必須采取特殊的控制措施。

3.4煤層傾角

煤層的傾角同樣影響著開采法的選擇，尤其是對后退式開采法而言。很小的坡度就會加大運輸負荷和時間，并減少材料運輸量;而隨著坡度的增大(約接近10%)，標準設(shè)備的牽引能力就開始降低:如果坡度極大，運輸和開采設(shè)備的運行就很困難。

3.5 地下水文條件

大多數(shù)井工開采礦井的涌水都來自上覆含水層，在選擇后退式開采法之前，應(yīng)對含水層的特性和水流系統(tǒng)進行全面的水文地質(zhì)現(xiàn)場分析。后退式開采引起開采引起的頂板垮落會嚴重的破壞含水層的自然條件，不僅有酸性污染物帶來的污染問題。而且還會使地面設(shè)施失去水源及增加礦井的排水費用。

3.6 煤的突出

在一定條件下，煤可能突然釋放出其貯存的能量，這種釋放的過程叫做煤的突出或煤爆，通常象爆炸一樣，并可能產(chǎn)生大量的煤炭噴出。煤的突出極易損壞近處的設(shè)備，使人員傷亡以致身亡。導(dǎo)致煤突出的條件分為地質(zhì)條件和物理條件。從地質(zhì)方面來說，其先決條件是具有堅硬、不撓曲的頂板和底板。當其在具有堅硬底板的煤層中進行開采時，由于不可避免的頂板運動所產(chǎn)生的能量無法自行擴散到下部巖層中去，這一能量即被貯存起來，在經(jīng)過一段時間后，如果集聚的能量很小，則不會發(fā)生煤的突出。

導(dǎo)致煤發(fā)生突出的地質(zhì)條件歸納起來有以下3個:堅硬的頂板和底板、高的上覆巖層壓力、煤種吸收能量。物理條件的影響因素主要有2個:其一是不統(tǒng)一的煤柱尺寸，特別是在小煤柱群中有單個的大煤柱；當煤柱的尺寸不一致時，較小煤柱在出現(xiàn)讓壓現(xiàn)象時，即會將大量載荷轉(zhuǎn)移到大煤柱上，如果載荷過高，且貯存于大煤柱中的能量極大，就可能發(fā)生煤的突出；另一個是懸頂?shù)目迓?。懸頂垮落時，懸頂垮落的載荷即被傳遞到周圍的煤柱上，如果在這些煤柱上的載荷太大，并且具備其它煤突出的條件，則有可能發(fā)生煤的突出。

4 采場超前煤柱穩(wěn)定可控性分析

要控制采場超前煤柱的穩(wěn)定性，需從控制煤柱受剪破壞和受壓破壞兩方面入手?？刂泼褐芗羝茐牡牡谝粋€方法是控制基本頂?shù)幕剞D(zhuǎn)，知剪力的來源是由于頂板的彎曲下沉，基本頂產(chǎn)生轉(zhuǎn)動角 而形成的。如果轉(zhuǎn)動角 =0，則剪力也等于零，煤柱就不會被剪壞?？刂乒ぷ髅娉懊褐€(wěn)定性要從老頂?shù)膲K長、煤層厚度、直接頂厚度和巖石破斷后的松散系數(shù)著手。因此控制煤柱穩(wěn)定性其中一個方面就是從巖石破斷后的松散系數(shù)來進行研究?？梢酝ㄟ^充填等方法來減小松散系數(shù)來控制 的大小，從而控制采場超前煤柱的穩(wěn)定性。

另一個控制采場超前煤柱受剪破壞的因素是支架與圍巖的關(guān)系。支架工作阻力P與頂板下沉量的關(guān)系是支架與圍巖相互作用的綜合體現(xiàn)。它反映了支架與圍巖間相互作用的機理。傳統(tǒng)的礦山壓力理論中，支架工作阻力P與頂板下沉量的關(guān)系為一近似的雙曲線關(guān)系。表明了支架與頂板間的相互作用關(guān)系是相互影響相互制約的。因此在煤柱回收過程中，相應(yīng)的增大支架的工作阻力可以減小基本頂?shù)幕剞D(zhuǎn)角，從而減小煤柱上的剪切力，可以保持采場超前煤柱的穩(wěn)定性。

參考文獻

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