浅埋厚煤层分层开采保护煤柱合理宽度研究

K, K′, K″—不同应力集中系数 图 1 煤柱的弹塑性变形区及应力分布
应用弹塑性极限平衡理论求得采空区上侧煤柱 (即巷道的上侧方是采空区 ) 屈服宽度为 [ 11 ]
2008年第 11期
x0
=
Mβ
2
ta
n
φ 0
ln
β(σyl
co
sαta
n
φ 0
+
2C0
+Mγ0
sinα)
β( 2C0 +Mγ0 sinα) + 2Px tanφ0
Research on ra tiona l w idth of protective coa l p illar for slic ing
m in ing in th ick seam w ith sha llow depth
PENG W en2qing1, 2 , WANG W ei2jun1, 2
( 1. Hunan P rovincia l Key L ab of S afety Coa l M in ing Technology, X iang tan 411201, China; 2. S chool of Energy and Safety Engineering, Hunan U n iversity of S cience and Technology, X iang tan 411201, Ch ina)
公式中引入开采扰动系数 , 故煤体屈服区宽度的通
用公式如下 :
x0
= 2
dMβ
tan
φ 0
ln
β(σyl
co
sαtan
φ 0
+
2C0
±Mγ0
sinα)
β( 2C0 ±Mγ0 sinα) + 2Px tanφ0
(3)
式中 d———开采扰动系数 , d = 115～310;
+ ———煤柱上侧 ;
- ———煤柱下侧 。
Abstract: In order to set the rational width of the p rotective coal p illar for the slicing m ining in thick seam w ith a shallow m ining dep th and to have the main factors affected to the coal p illar w idth, the elastic2p lastic lim it equilibrium theory was app lied to analyze the seam dep th, seam thickness, seam inclination angle, coal hardness, gateway cross section, support resistance and other affected to the rational width set for the p rotective coal p illar. The simulation experiment with the sim ilar material was app lied to set the final rational w idth of the p rotective coal p illar for the No. 1 - 2 seam of Huojitu M ine. The results showed that the basic conditions of the coal p illar stability should have“the elastic core”w idth not tw ice less than the height of the coal p illar (or the m ining height). The rational set coal p illar and the effective support role of the coal p illar at the side of the goaf and gateway were the key to ensure the stability of the coal p illar and gateway surrounding rocks. W hen the width of the p rotective coal p illar in the top slicing of the first m ining block of Huojitu M ine was 20 m and the w idth of the coal p illar in the down slicing was 12 m , the total deformation of the coal p illar could be effectively controlled. Key words: stability of coal p illar; thick seam with shallow dep th; rational w idth; sim ilar simulation
,
kN /m3 ;
Px ———冒落岩石 、支护设施等对煤柱的侧向
约束力 , M Pa。
由式 (1) 可得下侧煤柱的煤体屈服区宽度计
算公式为 :
x0
=
Mβ
2
ta
n
φ 0
ln
β(σyl
co
sαta
n
φ 0
+
2C0
-
Mγ0
sinα)
β( 2C0 - Mγ0 sinα) + 2Px tanφ0
(2)
为考虑生产扰动对煤体屈服区宽度的影响 , 在
β( 2C0 ±Mγ0 sinα) + 2Px tanφ0Fra bibliotek+
2M + r0
γ 1
H
tan
φ 0
+ C0
Pi
tan
φ 0
+ C0
(1
-
sin
φ 0
)
1 - sinφ0 2 sinφ0
-1
(7) 因此 , 由公式 (7) 可知 , 影响保护煤柱宽度 留设的主要因素有煤层埋藏深度 、煤层厚度 、煤层 倾角 、煤的硬度 、巷道断面大小 、支护阻力等 。
摘 要 : 为了确定浅埋厚煤层分层开采保护煤柱的合理宽度以及获知影响煤柱宽度留设的主要因 素 , 采用弹塑性极限平衡理论分析煤层埋藏深度 、煤层厚度 、煤层倾角 、煤的硬度 、巷道断面大小 和支护阻力等对保护煤柱合理宽度留设的影响 ; 并利用相似材料模拟试验确定活鸡兔矿井 1 - 2煤层 的保护煤柱的最终合理宽度 。结果表明煤柱稳定的基本条件是弹性核的宽度应不小于煤柱高度 (即采高 ) 的 2倍 ; 煤柱宽度的合理留设及采空和巷道侧对煤柱实施有效的支撑作用是保证煤柱及 巷道围岩稳定的关键 ; 活鸡兔矿井首采区上分层保护煤柱的宽度为 20 m , 下分层保护煤柱的宽度 定为 12 m 时 , 能有效控制煤柱的总变形量 。 关键词 : 煤柱稳定性 ; 浅埋厚煤层 ; 合理宽度 ; 相似模拟 中图分类号 : TD3224 文献标志码 : A 文章编号 : 0253 - 2336 (2008) 11 - 00014 - 03
第 36卷第 11期
2008年 11月
煤炭科学技术
COAL SC IENCE AND TECHNOLOGY
Vo l136 No111 Nov. 2008
采矿与井巷工程
浅埋厚煤层分层开采保护煤柱合理宽度研究
彭文庆 1, 2 , 王卫军 1, 2
(1. 煤矿安全开采技术湖南省重点实验室 , 湖南 湘潭 411201; 2. 湖南科技大学 能源与安全工程学院 , 湖南 湘潭 411201)
(1)
式中 M ———区段平巷高度 , m;
α———煤层倾角 , ( °) ;
β———屈服区与核区界面处的侧压系数 , β
=μ ( 1 - μ) , 其中 μ为泊松比 ;
φ 0
———煤体内摩擦角
,
( °) ;
C0 ———煤体黏聚力 , M Pa;
σ yl
———煤柱的极限强度
,
M Pa;
γ 0
———煤体平均体积力
煤矿地下开采活动引起的岩层与地表移动 , 造 成了地表上位于其影响范围内的建 (构 ) 筑物遭 受不同程度的破坏 。为了保护地表重要建 (构 ) 筑物 , 早在 19世纪初 , 人们就开始研究在地下开 采时留设保护煤柱以减小开采引起的地表变形对建 (构 ) 筑物的损害 。近百年来 , 各国学者都进行了 不懈的探索和研究 , 并取得了丰硕的成果 [ 1 ] 。回
1 煤柱稳定的基本条件
留煤柱护巷必须保证巷道服务期内煤柱的稳定 性 , 才能使巷道易于维护 。煤柱越宽越稳定 , 但随 着对巷道围岩应力分布及其对围岩破坏特征和程度 的制约作用的进一步了解 , 发现护巷煤柱的宽度并 非与巷道维护效果成正比 [ 9 ] , 而且宽煤柱会降低 煤炭的采出率 。因而 , 对于一个矿井 , 任何一个开 采区域和开采煤层 , 都存在着合理确定煤柱尺寸的 问题 。回采或开掘巷道 , 在煤柱边缘会产生数倍于 原岩应力 (一般按自重应力 γH, γ为岩层容重 ; H 为采深 ) 的集中应力 , 且由于边缘应力状态从三 向转为双向或单向 , 煤柱的边缘部分必然遭到破 坏 , 使集中应力向煤柱内部转移 , 直到煤柱承载强 度与支承压力达到平衡时 , 煤柱才处于稳定状态 。 因此 , 开采空间和回采巷道在护巷煤柱的两侧会形 成各自的塑性变形区 , 宽度分别为 x0和 R。而在煤 柱中部处于弹性变形状态 , 起着实际上支撑顶板及 上覆岩层的作用 , 俗称弹性核 [ 10 ] (图 1) 。