大采高工作面順槽煤柱破壞失穩(wěn)機(jī)理研究

【摘 要】本文通過理論分析及數(shù)值計(jì)算分析煤柱支承壓力的分布情況和煤柱彈性核率，研究大采高工作面順槽煤柱破壞失穩(wěn)機(jī)理。大采高綜采工作面順槽煤柱的穩(wěn)定性直接影響著礦井的安全高效生產(chǎn)，其主要表現(xiàn)為回采巷道的支護(hù)難度及支護(hù)成本，因此，煤柱穩(wěn)定性的研究一直煤礦生產(chǎn)中亟待解決的難題。

【關(guān)鍵詞】煤柱穩(wěn)定性；支承壓力；彈性核；破壞形式

The research of Coal Pillar stable Mechanism in high mining height working face

NIU Caiji

(The Beiyan Coal Mine; Lanhua Coal Mining Group; Jincheng; Shanxi 048000; China)

Abstracts: This article through the theoretical analysis and numerical calculation and analysis of the abutment pressure distribution of coal pillar and pillar elastic nuclear rate， the big mining height the damage mechanism of coal pillar slot instability. Big mining height the fully mechanized working face the stability of coal pillar slot directly influence the safety and efficiency of the mine production， the main manifestation of the extraction roadway supporting difficulty and support costs， therefore， the stability of coal pillar research has been urgently to be solved in coal mine production of difficult problems.

Key words: instability of coal pillar. bearing pressure; elastic kernel; destruction forms

1.引 言

煤柱是回采巷道圍巖的重要組成部分，它的穩(wěn)定性直接影響到巷道圍巖穩(wěn)定性控制[1.2]。煤體采出后，煤柱可以對(duì)上覆巖層的移動(dòng)變形起到一定的控制作用。影響煤柱穩(wěn)定性的因素，主要有煤體自身的強(qiáng)度、煤柱承受的上覆巖層壓力的大小、巷道頂?shù)装鍘r性以及煤柱留設(shè)的尺寸。煤柱穩(wěn)定性的研究以及煤柱合理尺寸的確定，一直是全球采礦領(lǐng)域極為關(guān)注的重要研究課題[3]。

2.順槽煤柱支承壓力分布規(guī)律

順槽掘進(jìn)后，煤柱由原有的三向應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槎驊?yīng)力狀態(tài)[4-6]，在其內(nèi)部形成支承壓力帶，當(dāng)煤柱周圍的煤體回采后，應(yīng)力重新分布，煤柱受支承壓力的影響就愈加劇烈，此時(shí)，對(duì)煤柱的強(qiáng)度要求就尤為明顯，煤柱的寬高比是影響煤柱強(qiáng)度的主要因素。下面分別對(duì)寬煤柱和窄煤柱的支承壓力分布情況進(jìn)行分析。

由圖1可知，在上下區(qū)段工作面都已經(jīng)采空的寬煤柱條件下，從煤柱外部邊緣到內(nèi)部，依次會(huì)出現(xiàn)破裂區(qū)、塑性區(qū)及彈性區(qū)，此時(shí)的彈性區(qū)為原巖應(yīng)力區(qū)，煤柱能夠保持穩(wěn)定。圖中Ⅰ為破裂區(qū)，此時(shí)煤體已經(jīng)發(fā)生松動(dòng)垮落，不能夠承受上覆巖層壓力，僅僅能夠承受低于原始應(yīng)力的載荷，因此也稱為卸載區(qū)。圖中Ⅱ?yàn)樗苄詤^(qū)，此時(shí)煤體能夠承受高于原巖應(yīng)力的載荷，它與彈性區(qū)Ⅲ合起來(lái)稱為應(yīng)力升高區(qū)。彈塑性交界處的鉛垂應(yīng)力達(dá)到最大，且最大應(yīng)力值接近4γH。

由圖2可知，在上下區(qū)段工作面都已經(jīng)采空的窄煤柱條件下，煤柱中央支承壓力峰值增大，應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯，曲線的中部接近水平，彈性核區(qū)寬度很小幾乎完全消失，此時(shí)煤柱已經(jīng)發(fā)生很大程度的破壞，煤柱在回采擾動(dòng)情況下發(fā)生大變形，完全喪失其支撐能力。

3.煤柱破壞失穩(wěn)機(jī)理

3.1 煤柱的受力分析

順槽煤柱兩側(cè)煤體均采出后，采空區(qū)上覆巖層垮落，基本頂斷裂形成砌體梁結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析如圖3所示。

為了便于計(jì)算，簡(jiǎn)化圖4所示的結(jié)構(gòu)圖，利用多跨梁的理論對(duì)間隔煤柱與上覆巖層的平衡關(guān)系進(jìn)行分析：

當(dāng)F=FS時(shí)，煤柱處于穩(wěn)定的臨界狀態(tài)。

——關(guān)鍵塊B對(duì)煤柱的施加的力

即，

在此我們分兩種情況對(duì)煤柱進(jìn)行分析

①當(dāng)煤柱處于彈性階段時(shí)，，此時(shí)煤柱中存在彈性核，煤柱能夠承受頂板的壓力，不會(huì)發(fā)生嚴(yán)重變形破壞。

②當(dāng)煤柱處于塑性階段時(shí)，，此時(shí)煤柱中沒有彈性核或者有很小的彈性核，已不足以承受頂板的壓力，此時(shí)煤柱發(fā)生嚴(yán)重地破壞，造成頂板大面積垮塌。

3.2 煤柱的破壞形式

當(dāng)煤柱所承受覆巖應(yīng)力達(dá)到其極限承載能力或煤柱的變形達(dá)到其彈性極限時(shí)，煤柱將會(huì)破壞失穩(wěn)。煤柱破壞機(jī)理與巖石單軸壓縮試驗(yàn)類似。煤柱的破壞形式如圖5所示。

a為剪切破壞，當(dāng)煤柱受到剪應(yīng)力的作用時(shí)，煤柱外部產(chǎn)生拉伸作用，使煤柱從表層開始破壞，形成煤壁片幫。b為縱向破壞，煤柱與頂?shù)装逯g沒有軟弱夾層，但由于煤柱寬度不足，致使中部處于水平拉伸狀態(tài)。c為沿弱面或斷層破壞，煤柱中含有軟弱夾層或斷層，當(dāng)煤柱受到載荷作用時(shí)，軟弱面或斷層滑移，從而發(fā)生破壞。

3.3 煤柱的工作狀態(tài)

隨著工作面的推進(jìn)，煤柱所承受的支承壓力迅速增大又迅速減弱，然后在較小的壓力水平趨于穩(wěn)定狀態(tài)。煤柱強(qiáng)度—變形曲線與煤柱載荷壓力—變形曲線之間的相互關(guān)系，如圖6所示。

圖中曲線A為煤柱極限強(qiáng)度曲線，B、C、D為煤柱上壓力變化曲線。由圖6可知，煤柱有3種工作狀態(tài)：

①煤柱在低于其極限載荷下工作（曲線B），煤柱處于穩(wěn)定狀態(tài)。

②煤柱出現(xiàn)塑性破壞區(qū)，但是煤柱承受的壓力迅速降低（曲線C），則煤柱發(fā)生屈服破壞以后，仍然可以依靠煤柱的殘余強(qiáng)度來(lái)承受殘余支承壓力，煤柱可以繼續(xù)保持穩(wěn)定狀態(tài)。

③煤柱破壞，頂板壓力隨頂板下沉的變化很?。ㄇ€D），煤柱強(qiáng)度嚴(yán)重降低，致使煤柱屈服破壞后的殘余強(qiáng)度不足以承受煤柱上的殘余支承壓力，塑性變形繼續(xù)發(fā)展，直至最后的破壞失穩(wěn)。

4.順槽煤柱失穩(wěn)破壞數(shù)值計(jì)算

4.1 數(shù)值計(jì)算模型的建立

依據(jù)礦井的地質(zhì)條件，通過現(xiàn)場(chǎng)取芯，并在巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)室測(cè)定巖石的物理力學(xué)參數(shù)，交叉口的巖石力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 數(shù)值計(jì)算巖層分布和物理力學(xué)參數(shù)表

由于煤層傾角較小，模型建立時(shí)不考慮傾角，考慮礦井生產(chǎn)綜合需求和巷道圍巖允許變形范圍及礦井現(xiàn)實(shí)中的形狀，采空區(qū)的斷面形狀為矩形。

模擬范圍的長(zhǎng)、寬、高分別為180m、300m和140m，共劃分112500個(gè)單元和566711個(gè)節(jié)點(diǎn)，并且在沿傾向方向網(wǎng)格劃分為1m一個(gè)網(wǎng)格，以便于觀測(cè)所留煤柱的塑性區(qū)及垂直應(yīng)力狀況等，如圖7。

4.2 結(jié)果分析

為了掌握初始應(yīng)力場(chǎng)的分布情況，繪制了初始應(yīng)力場(chǎng)中垂直應(yīng)力云圖，如圖8。

從圖8可以看出，初始垂直應(yīng)力從上往下是逐漸增大，在同一個(gè)層位的垂直應(yīng)力值相等，這樣的分布和靜水壓力的規(guī)律是一致的。

寬煤柱尺寸選擇50m，從圖9中可以看出彈性核寬度大約為30m，只有煤柱的外邊緣出現(xiàn)塑性區(qū)域，內(nèi)部仍然處于彈性狀態(tài)，煤柱能夠承受上覆巖層的載荷，煤柱處于穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)煤柱可以不支護(hù)。但是，勢(shì)必要造成重大的煤柱損失。

從圖10可以看出，15m煤柱的彈性核區(qū)基本消失，煤柱強(qiáng)度已經(jīng)嚴(yán)重降低，致使煤柱屈服后的殘余強(qiáng)度不足以承受煤柱上覆巖層載荷，塑性區(qū)將繼續(xù)發(fā)展，直至最后完全破壞。

5.結(jié)論

本文運(yùn)用理論分析和數(shù)值分析相結(jié)合的方法，對(duì)煤柱失穩(wěn)破壞的機(jī)理進(jìn)行了研究，得出以下結(jié)論：

（1）煤柱穩(wěn)定的基本條件是其內(nèi)部存有一定寬度的彈性核。

（2）大采高工作面順槽煤柱受工作面回采的影響，應(yīng)力重新分布，在煤柱內(nèi)側(cè)形成側(cè)向支承壓力帶，在煤柱上方出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，煤柱出現(xiàn)塑性變形，當(dāng)煤柱塑性區(qū)寬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于彈性核寬度時(shí)，煤柱已經(jīng)處于嚴(yán)重的破壞失穩(wěn)狀態(tài)。

參考文獻(xiàn)

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