全采區(qū)與條采區(qū)隔離煤柱留設(shè)寬度研究＊

劉 貴 徐乃忠 鄒友平

(天地科技股份有限公司開(kāi)采設(shè)計(jì)事業(yè)部,北京市朝陽(yáng)區(qū),100013)

全采區(qū)與條采區(qū)隔離煤柱留設(shè)寬度研究＊

劉 貴 徐乃忠 鄒友平

(天地科技股份有限公司開(kāi)采設(shè)計(jì)事業(yè)部,北京市朝陽(yáng)區(qū),100013)

根據(jù)威爾遜(Wilson)煤柱載荷理論,分析了兩側(cè)采空區(qū)在不同寬度情況下煤柱所承受載荷的計(jì)算公式,并根據(jù)相同的推導(dǎo)原理,得出了全采區(qū)與條采區(qū)隔離煤柱所承受載荷的計(jì)算公式。根據(jù)煤柱安全系數(shù)的可靠取值,推導(dǎo)出全采區(qū)與條采區(qū)隔離煤柱最小留設(shè)寬度的計(jì)算公式,并通過(guò)實(shí)例分析,得出在進(jìn)行條帶開(kāi)采設(shè)計(jì)時(shí),要根據(jù)隔離煤柱留設(shè)寬度的計(jì)算公式進(jìn)行單獨(dú)設(shè)計(jì),以保證隔離煤柱的穩(wěn)定性。

條帶開(kāi)采 隔離煤柱 煤柱寬度 煤柱穩(wěn)定性 計(jì)算

很多科研人員在進(jìn)行條帶開(kāi)采設(shè)計(jì)時(shí),對(duì)條帶煤柱留設(shè)寬度計(jì)算得比較準(zhǔn)確,而常常忽略全采區(qū)與條采區(qū)隔離煤柱寬度的計(jì)算研究,錯(cuò)誤地認(rèn)為隔離煤柱寬度等同于留設(shè)的條帶煤柱寬度。在相同的地質(zhì)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(dāng)隔離煤柱取條帶煤柱寬度,并當(dāng)取值在容許范圍內(nèi)偏小時(shí),容易造成隔離煤柱不能滿足穩(wěn)定性要求,導(dǎo)致其首先失穩(wěn),其所承受的載荷將轉(zhuǎn)由相鄰條帶煤柱承擔(dān),當(dāng)其相鄰煤柱難以承擔(dān)附加載荷時(shí),這些煤柱亦將破壞,這一過(guò)程將迅速擴(kuò)展到整個(gè)條采區(qū)煤柱,產(chǎn)生多米諾骨牌效應(yīng),致使條帶開(kāi)采失敗,造成重大損失。本文將通過(guò)煤柱載荷理論對(duì)全采區(qū)與條采區(qū)隔離煤柱寬度進(jìn)行計(jì)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(shè)計(jì)的關(guān)鍵步驟之一。對(duì)于如何計(jì)算煤柱所承受的載荷,國(guó)內(nèi)外相繼提出了一些假設(shè)和理論,包括壓力拱理論、有效區(qū)域理論和威爾遜(Wilson)理論。

威爾遜(Wilson)兩區(qū)約束理論建立在煤柱三向強(qiáng)度特性的基礎(chǔ)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(yīng)用,故本文將根據(jù)威爾遜(Wilson)理論對(duì)煤柱承受的載荷進(jìn)行分析計(jì)算。

威爾遜(Wilson)(1970年)認(rèn)為上覆巖層的重量并非完全由煤柱承擔(dān),冒落在采空區(qū)的巖石同樣也承擔(dān)一部分上覆巖層的重量。在計(jì)算采空區(qū)分擔(dān)的載荷時(shí),威爾遜(Wilson)采用了金(King,1970)的結(jié)論,采空區(qū)承擔(dān)的載荷量與采空區(qū)內(nèi)各點(diǎn)頂板閉合量有關(guān),即采空區(qū)垂直應(yīng)力和距煤壁的距離成正比,當(dāng)該距離達(dá)到0.3 H(H為采深)時(shí),采空區(qū)垂直應(yīng)力恢復(fù)到原始載荷γH。根據(jù)這一理論得出煤柱承受載荷的計(jì)算公式,分兩種情況進(jìn)行敘述。

(1)煤柱兩側(cè)采空區(qū)寬度即采出條帶寬度b小于0.6 H時(shí)。

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

此種情況下煤柱實(shí)際承受的載荷Ps數(shù)值上等于陰影部分的面積:

式中:a——留設(shè)煤柱寬度,m;

γ——巖石容重,kN/m3。

圖1 煤柱兩側(cè)采出條帶寬度b小于0.6 H時(shí)煤柱載荷示意圖

(2)煤柱兩側(cè)采空區(qū)寬度b1、b2均大于0.6 H時(shí)。

此種情況下,煤柱承受載荷示意圖見(jiàn)圖2,煤柱實(shí)際承受的載荷Ps數(shù)值上等于陰影部分梯形的面積:

圖2 煤柱兩側(cè)采空區(qū)寬度b1、b2均大于0.6 H時(shí)煤柱載荷示意圖

2 全采區(qū)與條采區(qū)隔離煤柱寬度的計(jì)算

根據(jù)威爾遜(Wilson)理論可知,煤柱兩側(cè)采空區(qū)寬度不同,煤柱所承受載荷的計(jì)算公式也不同。條帶開(kāi)采時(shí),全采區(qū)與條采區(qū)的隔離煤柱兩側(cè),一側(cè)是條帶開(kāi)采采空區(qū),其寬度即為采出條帶寬度b小于0.6 H,一側(cè)為全部開(kāi)采的采空區(qū),其寬度為采空區(qū)寬度b1大于0.6 H,則隔離煤柱的承受的載荷應(yīng)是威爾遜(Wilson)理論兩種情況的結(jié)合,其承受載荷示意圖見(jiàn)圖3。

圖3 全采區(qū)與條采區(qū)隔離煤柱載荷示意圖

此種情況下煤柱實(shí)際承受的載荷Ps數(shù)值上等于陰影部分的面積:

煤柱穩(wěn)定性評(píng)價(jià)通常用煤柱安全系數(shù)K=Pj/Ps(Pj為煤柱的極限載荷)進(jìn)行計(jì)算分析,根據(jù)Wilson理論,煤柱的極限載荷Pj可用下式進(jìn)行計(jì)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(tài)計(jì)算,安全系數(shù)K一般大于1.5即能滿足煤柱的長(zhǎng)期穩(wěn)定性,即:

根據(jù)式(4)、(5)、(6)可推導(dǎo)出隔離煤柱最小留設(shè)寬度ag計(jì)算公式為:

而條帶開(kāi)采煤柱最小留設(shè)寬度at根據(jù)式(2)、(5)、(6),可得出其公式為:

3 實(shí)例分析

江蘇徐州龍東煤礦,西一采區(qū)設(shè)計(jì)準(zhǔn)備4個(gè)工作面(編號(hào)分別為7161、7162、7163和7164工作面)進(jìn)行回采,而采區(qū)上方有2個(gè)村莊,通過(guò)分析研究,在劃定村莊保護(hù)煤柱后,決定在村莊保護(hù)煤柱外,煤層全部回采,村莊保護(hù)煤柱內(nèi)采取條帶開(kāi)采方法進(jìn)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(jīng)優(yōu)化分析后,推薦各工作面內(nèi)條帶開(kāi)采區(qū)域采留寬尺寸見(jiàn)表1,采出率均為50%。

表1 西一采區(qū)各工作面條采區(qū)域推薦采留寬尺寸m

根據(jù)表1可知,各工作面條帶開(kāi)采區(qū)域設(shè)計(jì)留設(shè)煤柱寬度均大于根據(jù)式(8)計(jì)算的條采最小留寬,滿足煤柱穩(wěn)定性要求,但把條采留寬簡(jiǎn)單的作為全采區(qū)與條采區(qū)隔離煤柱寬度的話,則嚴(yán)重影響了煤柱的穩(wěn)定,因?yàn)楦鞴ぷ髅鏃l帶開(kāi)采區(qū)域留設(shè)的煤柱寬度均小于根據(jù)式(7)計(jì)算的隔離煤柱最小寬度(見(jiàn)表1),不能滿足煤柱穩(wěn)定性要求。故進(jìn)行條帶開(kāi)采設(shè)計(jì)時(shí),不僅要進(jìn)行條帶開(kāi)采留寬度的設(shè)計(jì),還要進(jìn)行隔離煤柱寬度的計(jì)算,以保證條帶開(kāi)采的成功,確保地面建筑物的安全使用。

4 結(jié)論

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

(2)通過(guò)實(shí)例分析,在進(jìn)行條帶開(kāi)采設(shè)計(jì)時(shí),不僅要進(jìn)行條帶采留寬度的設(shè)計(jì),還要進(jìn)行全采區(qū)與條采區(qū)隔離煤柱寬度的計(jì)算。不能簡(jiǎn)單地把隔離煤柱寬度等同于留設(shè)條帶寬度進(jìn)行設(shè)計(jì),這樣很難滿足煤柱穩(wěn)定性要求,存在條帶開(kāi)采整體設(shè)計(jì)失敗的危險(xiǎn)。

[1] 劉貴,張華興,徐乃忠.深部厚煤層條帶開(kāi)采煤柱的穩(wěn)定性[J].煤炭學(xué)報(bào),2008(10)

[2] 劉貴,韓邦華,邢峰等.條帶開(kāi)采煤柱塑性區(qū)寬度的數(shù)值模擬與計(jì)算[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2009(3)

[3] 吳立新,王金莊,郭增長(zhǎng).煤柱設(shè)計(jì)與監(jiān)測(cè)基礎(chǔ)[M].徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)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(xué)研究總院青年創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目(2008QN60)。

劉貴(1980-),男,安徽蒙城人,碩士,工程師,2004年畢業(yè)于中國(guó)礦業(yè)大學(xué)采礦工程專業(yè),2007年獲煤炭科學(xué)研究總院采礦工程碩士學(xué)位,主要從事“三下”采煤及相關(guān)研究工作。在《煤炭學(xué)報(bào)》、《煤炭科學(xué)技術(shù)》等雜志發(fā)表論文10余篇。

(責(zé)任編輯 張毅玲)