豫北鶴園某礦區(qū)煤場(chǎng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析

申?yáng)|東++孟亞峰

摘 要：煤礦礦區(qū)的安全和地下支撐的結(jié)構(gòu)有很大關(guān)系，為了最大程度的保障采礦人員的人身安全和設(shè)備安全，該文通過(guò)數(shù)值模擬、優(yōu)化模擬、理論計(jì)算等方法，對(duì)簡(jiǎn)化采礦作業(yè)面結(jié)構(gòu)、礦頂結(jié)構(gòu)分析、礦頂支柱參數(shù)優(yōu)化等方面進(jìn)行了深入的探討，得到了與實(shí)際誤差極小的礦區(qū)結(jié)構(gòu)方案。為了確保深部礦巖安全高效地開(kāi)采，有必要針對(duì)采場(chǎng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)與穩(wěn)定性進(jìn)行科學(xué)合理地分析研究。

關(guān)鍵詞：煤礦 數(shù)值模擬 優(yōu)化 分析 參數(shù)

中圖分類號(hào)：TU75 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2017）04（a）-0203-03

Certain North of HeNan Mining Area Coal Structure Stability Analysis

Abstract：Coal mine safety and underground support structure has a great relationship， to the greatest degree guarantee mining personnel and equipment safety， through the numerical simulation， optimization simulation and theoretical calculation method， to simplify the mining work surface structure， mine roof structure analysis， mine roof pillar parameter optimization were discussed， and the actual error minimum mining structure scheme. In order to ensure the safe and efficient mining of deep ore， it is necessary to analyze and study the structural parameters and stability of stope.

Key Words：Coal mine；Numerical simulation；Optimizing；Analysis；Parameter

礦產(chǎn)資源始終是人類發(fā)展的基石，不管是作為戰(zhàn)略物資的儲(chǔ)備還是為了滿足國(guó)計(jì)民生的各項(xiàng)需求，人們對(duì)于有限的資源的爭(zhēng)奪已經(jīng)到了白熱化的地步，如何在采礦過(guò)程中保證操作人員及設(shè)備的安全成為了我們研究的課題方向，以下我們就來(lái)探討一下煤礦采場(chǎng)結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定性。為了確保深部礦巖安全高效地開(kāi)采，有必要針對(duì)采場(chǎng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)與穩(wěn)定性進(jìn)行科學(xué)合理地分析研究。

1 礦采區(qū)頂面結(jié)構(gòu)分析

在煤礦開(kāi)采過(guò)程中，需要對(duì)已采區(qū)進(jìn)行固頂處理，一般情況下，我們用加固頂板的方式進(jìn)行頂面強(qiáng)化，頂面下部采用支柱支撐，由于已采區(qū)頂面的壓力和頂板自身的重力，迫使頂板產(chǎn)生向下的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，并因此產(chǎn)生彎矩作用，另外，在支柱與頂面接觸的支撐區(qū)域還存在較大的集中應(yīng)力。合理的確定支柱的截面尺寸和支柱間距對(duì)于優(yōu)化支柱參數(shù)有重大意義，可以極大的降低支柱對(duì)于頂板的壓應(yīng)力和剪切應(yīng)力。

我們用簡(jiǎn)化的數(shù)學(xué)模型來(lái)近似的代替采空區(qū)的結(jié)構(gòu)，如圖1所示。主要參數(shù)有支柱的截面積、支柱的橫向和縱向間距。在布置支柱時(shí)，盡量采用均勻布置的方式，使得頂板各處的受力趨向等值。在數(shù)學(xué)模型中，由于支柱的截面積相對(duì)于支柱間距要小很多，所以在力分析處理時(shí)，把支柱對(duì)頂板的力視為一點(diǎn)，則可得：支柱與頂板處的接觸點(diǎn)撓度為零，其余各處的撓度不為零。撓度計(jì)算公式為：，式中，為頂板撓度，為頂板的泊松比，E為頂板的彈性模量，h為頂板的厚度（m），此模型的撓度可表示為：，當(dāng)取的特征點(diǎn)接近兩支柱中點(diǎn)時(shí)，特解和齊次解應(yīng)滿足邊界條件：

特解：，

齊次解：

=

求解得到、分別為：

，

這里，

得到：

由上面最后一個(gè)邊界條件得到：

由于把支柱與頂板的接觸面看作一個(gè)點(diǎn)，用上述公式將得到小誤差的頂板撓度和來(lái)自于支柱的支反力，而在支柱與頂板的接觸點(diǎn)上，由于前提假設(shè)的存在，支反力將無(wú)窮大。

經(jīng)過(guò)計(jì)算，在表1中，列出了一些特殊點(diǎn)上的彎矩?cái)?shù)值。

表1中得到的數(shù)值是在一定條件下得到的，根據(jù)前提假設(shè)，理論計(jì)算值和頂板的實(shí)際受力將非常接近，為施工提供了有效參考。

2 支柱失衡分析

當(dāng)?shù)V采區(qū)處于水平或者傾斜狀態(tài)時(shí)，每個(gè)支柱所要承擔(dān)的載荷F如表2所示，L為礦脈水平長(zhǎng)度，H為礦脈采空區(qū)頂板以上的高度。F為每個(gè)支柱所承受的撓度

由此得出，礦脈縱深越大，礦脈采空區(qū)上方的頂層質(zhì)量就越大，支柱承受的載荷就越趨于平均值，反之，支柱就承擔(dān)更大的載荷。

支柱的臨界失衡條件可用公式表示，n為支柱的安全系數(shù)，為支柱的強(qiáng)度，為支柱的內(nèi)部應(yīng)力，n大于1時(shí)，支柱穩(wěn)定，n小于1時(shí)，支柱失衡。

在進(jìn)行支柱參數(shù)優(yōu)化時(shí)，應(yīng)該把礦藏土質(zhì)的非均勻密度作為重要的因素考慮，這種因素會(huì)導(dǎo)致相同尺寸的支柱受力不均，這就導(dǎo)致當(dāng)頂板產(chǎn)生較大的彎矩或者向下的位移時(shí)，會(huì)有部分支柱先達(dá)到許用的最大應(yīng)力而提前壓潰。當(dāng)兩個(gè)尺寸一樣的支柱合并成一個(gè)較大支柱時(shí)，較大支柱所產(chǎn)生的最大應(yīng)力會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于兩個(gè)小支柱的許用應(yīng)力之和，因此，為提高支柱穩(wěn)定性和擴(kuò)大回采率，應(yīng)適當(dāng)增加較大支柱的數(shù)量。

3 支柱受水平應(yīng)力的因素分析

采空區(qū)的結(jié)構(gòu)可以用圖2的數(shù)學(xué)模型表示，從地表到采空區(qū)頂板之間的自重為垂直載荷，可表示為：，水平應(yīng)力為：。

考慮到礦脈開(kāi)采過(guò)程中產(chǎn)生的震動(dòng)影響，頂板的受力情況也隨之變化，所有支柱的垂直載荷就等于頂板以上所有部分的重量，則每條支柱的均載荷為，根據(jù)力學(xué)定律，頂板受來(lái)自支柱的應(yīng)力為：

其中，a為支柱截面的長(zhǎng)度，l為兩支柱之間的距離?？梢?jiàn)，在支柱頂面的受力非常不均勻，我們用雙曲線型應(yīng)力函數(shù)來(lái)表示：

其中，，n是整數(shù)，是常數(shù)。

求得的支柱頂面各應(yīng)力為：

其中，。

兩端固定的簡(jiǎn)支梁，其最大彎矩發(fā)生在中間位置，將中間位置的帶入上式得到水平應(yīng)力為：

從上式中可以得到，當(dāng)時(shí)，水平應(yīng)力最大，其最大值為

結(jié)合上述公式代入可得到最大水平應(yīng)力為：

其中，

當(dāng)支柱長(zhǎng)度等于支柱間距時(shí)，也就是礦脈處于未采狀態(tài)時(shí)，，等于原始礦層應(yīng)力，驗(yàn)證了推倒與實(shí)際的一致性，當(dāng)時(shí)，

式中的

所以。

從以上推導(dǎo)得出結(jié)論：頂板的水平應(yīng)力會(huì)隨著的增大而減小，且當(dāng)時(shí)，水平應(yīng)力會(huì)變?yōu)檎党蔀榇怪睉?yīng)力，為支撐頂板提供了額外的力，對(duì)于這類礦脈而言，開(kāi)采是有利的。

4 結(jié)語(yǔ)

支柱的數(shù)量和礦床的長(zhǎng)度和承載的礦頂?shù)馁|(zhì)量的比值有關(guān)，適當(dāng)?shù)脑黾虞^大支柱的數(shù)量可以有效改善支撐質(zhì)量；最大礦頂彎矩發(fā)生在兩支柱中間部位；當(dāng)系數(shù)時(shí)，水平應(yīng)力會(huì)變?yōu)榇怪睉?yīng)力，能有效改善開(kāi)采的安全性。

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