区段煤柱稳定性分析
坚硬顶板煤柱稳定性实测分析
摘
要 ：针对崔家寨煤矿坚硬顶板条件，运用实测分析法对 区段煤柱稳定性进行 了详细分析研究
实测 内容包 括 ：超 前 支承压 力分布 规 律 、侧 向支承压 力分 布规 律 、煤 柱上 方 顶板 离层 变化规 律 、煤
柱联络巷巷道断面变化规律 、煤柱松动圈发育规律。根据煤柱 由不同矿压显现特征，综合分析了崔
观 测工作 于 ２０ ０ ０年 １ ２月 １ 日开始 至 ２０ ５ ０ １年
４月底结束 ，经历了５个多月的观测时间，取得 了
基 金项 目：Ｉ 东省 自 且 然科学基盘项 目资助 （ Ｆ７ Ｑ Ｄ
ｌ ２
几千个观测数据 ，对数据的整理与分析如下
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塑性区包括煤体已完全破坏的部分压力逐渐上升弹性区压力则单调下降弹塑性的交界处为应力高峰的位解释即出现了内外应力场两应力场交界处即为老顶断裂位置故推断工作面老顶断裂线在煤壁前方处这与工作面内其他矿压显现特征观测结果为极为相符这也证实用应力增量来分析支承压力是可行的
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家寨煤 矿 坚硬 顶板 下煤 柱 的稳定 性 ，得 出合理煤 柱 留设 宽度 为 ５～ ６ｍ。 关 键词 ：坚硬 顶板 ；实测 ；煤柱 ；稳定性
中图分类号 ：Ｔ ３２４ Ｄ ２ ．
文献标识码 ：Ｂ
文章编号 ： ２３— ３６ （０ ２ ４ ０ １ — ４ ０ ５ ２３ ２ ０ ）０ — ０ ２ ０
Ａｎ ｌ ｓ ｎ ｓｔ ｅ ｓ ｒ ｍｅ ｔｏ ｏ ｉ ａ ｔ ａ ｄ ｒ ｏ ａｙ ｉ ｏ ｉ ｍ ａ ｕ ｅ ｎ ｆｃ ａ ｐ ｌ ｒ ｗｉｈ ｈ ｒ ｏ ｆ ｓ ｅ ｌ ｌ
Ｚ ＨＡＮＧ Ｋ ｉ ｌ ａ・ ｌ ，ＧＵ ｈ ｕｋ ｚｉ Ｏ Ｚ ｏ ・ｅ ，ＣＨＥ ｕｙ ｎ ＨＡＮ ｉ －ｕ ｎ ＮＧ Ｘｉ －ａ ｇ ，Ｚ Ｇ Ｊｎ ｙ ａ ，ＸＩ Ｊ ｎ ｍｉ 。 Ａ ｕ ・ ｎ
节能型条带煤柱动力系统稳定性分析
季
煤层倾角 、 同岩（ 顶、 底板 ） 条件 、 条带煤柱本 身的力学 条带开采是煤矿建筑物下采煤 的一种行之有效的采矿方法 ， 岩层容重 、 性质 、 地应力 、 地热 、 瓦斯 以及地下水等。 条带煤柱的稳定性在煤矿生产中起 到了极其关键的作用 。 本文采 条带 系统 的结 构信息 主要是 指条带 系统 的结构布 置 、 形状 用系统运动 稳定性理论将顶板 、 煤柱、 底 板作为一个 系统对其进
样拄
丘插
‘ ，
的力学性质 的影响 以及系统的几何结构 因素 ， 然后通过分析这些 影 响系统稳定性 的控制变量 ， 可 以对这些控制变量进行人为的调 控， 加强各子 系统 的稳定性 ， 从而加强整个系统的稳定性 。 从一个 新 的角度研究条带煤柱 的破坏失稳机理与稳定性 问题 ， 丰富和发 展了条带煤柱稳定性理论和分析方法 。
从线性微分方程组的解的稳定性理论 可知 ， 在广义阻尼矩阵 究 进 展 中 国矿 业 ， １ ９ ９ ８ ， ７ （ ５ ） ： ３ ７ ～ ４ １ 为正定 的条件 下 ， 如果广义刚度矩 阵是正定 的 ， 微分方 程组 的解 作 者 简 介 是稳定 的， 从而整个 系统是稳定 的 ， 即整个 条带煤柱系统 不破坏 贺平 ， 男（ １ ９ ７ ９ 一） 湖北潜江人 ， 工 程师 ， 本科 ， 研 究方 向 ： 矿井 或稳定破坏 ， 属于强度 问题 。 失稳 的条件是广义刚度矩阵非正定。 设计。 南系统 的总刚度矩阵知 ， 在条带煤 柱系统 中 ， 各子 系统 问相互作
节能型条带煤柱 动力系统计研究 院
湖北武汉
４ ３ ０ ０ ６ ４ ）
用 ，每个子系统 的稳定性都与其他子系统 的稳定性相互关联 ， 其 主控变量为系统的广义刚度系数。
第八章巷道维护原理和支护技术
0.64
0.36
B h
R R
RC RC
0 .778 0 .778
0.222 0.222
B hB
h
R R
RC1 RC1
0.64 0.64
0.36 0.36
B hB
h
第一节 无煤柱护巷
一、护巷煤柱得稳定性
2、 煤柱得应力分布
1)一侧采空
煤柱(体)得承载能力,随着远离煤体
(煤柱)边缘而明显增长。在距煤体(煤柱)
第二节 巷道围岩卸压
一、跨巷回采进行巷道卸压
跨巷 回采
横跨 纵跨
1－不留区段煤柱、先跨;2—留区段煤柱、先跨; 3—留区段煤柱、后跨;4—较宽得煤柱维护上山
第二节 巷道围岩卸压
二、巷道围岩开槽卸压及松动卸压
1、 巷道周边开槽(孔)对围岩应力分布得影响
开槽卸压原理:使作用于 周边围岩得高应力向卸压 压区以外得岩体深部转移
2
第一节 无煤柱护巷
一、护巷煤柱得稳定性
1、 煤柱得载荷
各种方法得基本观点一致:煤柱得宽度必须保证煤柱得极限载荷σ
不超过它得极限强度R(七章一节)。煤柱得宽度B计算式:
1000B
B
D H
1 4
D
2
cot
RC
0.778
0.222
B h
1000B
B
D
H
1 4
D
2
cot
RC 1
边缘一定宽度内,存在着煤柱(体)得承载能
力与支承压力处于极限平衡状态,运用岩体
得极限平衡理论,塑性区得宽度x0:
x0
m 2 f
K H C cot
ln p1 C cot
大断面破碎围岩巷道保护煤柱稳定性分析与评价
煤
炭 工
程
大 断 面 破 碎 围 岩 巷 道 保 护 煤 柱 稳 定 性 分 析 与 评 价
李 立 波 ，刘 小 明 ，周 光 华
（ 神华宁夏煤业集 团 ，宁夏 银 川 ７０ １） ５ ０ １
摘
要 ：以羊 场湾 煤矿 开采 以 来煤柱 留设 经 验和 理 论 计 算 为基 础 ，通 过 锚 杆 受 力监 测 分 析 、
１ 概
述
冒顶 Ｉ 。工 作 面 回采 后 辅 运 巷 作 为 下 一 区段 回 风 巷 使 用 ， ９ 因此 在 机 巷 和 辅 运 巷 之 间 留 设 有 ３ ｍ 宽 的保 护 煤 柱 。采 用 ５
煤 岩 在 形 成 过 程 中 ，受 原 岩 应 力 和 结 构 应 力 的 影 响 ， 其 内部 存 在 大 量 的 裂 隙 和 结 构 ，巷 道 开 挖 以后 ，煤 岩 微 结
ｔｅｃａ ｐ ｌ ｓｆ ｅｌｒ ｒｓ ｅ ｔ ｎ ｇ ｔ ａ ｆ ｏ １ ０ ０ ｏｌ ｉｉｇｆｃ ．Ｔ ｅｆ ａ ｊｄ ｅ ｏ ｌ ｉａ ｉｔ ｗ ｔ ｈ ｏ ｌ ｉａ ｒ ｈ ｇ ｃｏ ｓ ｃ ｏ ａ ｗ ｙｏ ． ２ ６ ｃ ａ ｍ ｎｎ ｅ ｈ ｉ ｌ ｕ ｇｄ ｃ ａ ｐ ｌ ｗ ｄｈ ｉ ｌｒ ｏ ｔ ａ ｅ ｓ ｉ ｅ Ｎ １ ａ ｎ ｌｒ ｈ
ｃ ｏ ｓｓ ｃ ｉ ｎ ｇ ｔ ｗａ ｔ ｒ ｋ ｎ ｓ ｒ ｕｎ ｎ ｏ ｋ ｒ ｓ ｅ ｔｏ ａ ｅ ｙ ｗｊｈ ｂ ｏ ｅ ｕｒ ｏ ｄｉ ｇ ｒ ｃ
Ｌ ｉ ｏ， Ｌ Ｕ ａ ＩＬ —ｂ Ｉ Ｘｉ ｏ—ｍｉ ｇ Ｚ ｎ ， ＨＯ Ｇｕ ｎ Ｕ ａ ｇ—ｈ ａ ｕ
理论计算 、应 力 一煤岩 构破 坏观 测 、数值 模拟 等手 段 ，对 煤柱稳定性进 行综合分析与评价 。 矿 区属南 北地震带南端 ，历史 上 曾发 生较大地震 ８次 ，
煤柱的留设
一、护巷煤柱的稳定性7-1）。
煤柱的宽度一般为10～30m 。
图7-1 留煤柱护巷示意图（一） 煤柱的载荷1．煤柱载荷的估算煤柱上的总载荷为：()γδ⎥⎦⎤⎢⎣⎡-⨯+=42ctg L H L B p (7-1)式中 p —煤柱上的总载荷，kN ；B —煤柱宽度，m ；δ—采空区上覆岩层垮落角；γ—上覆岩层平均容重，kN ／m 3。
煤柱单位面积的平均载荷即平均应力：()[]γδσ⨯-⨯+==B ctg L H L B B p 42 (7-2)图7-2 计算煤柱载荷示意图 2．煤柱宽度的理论计算()⎪⎭⎫ ⎝⎛+=⎥⎦⎤⎢⎣⎡-⨯+h B R ctg L H L B B C 222.0778.04110002δγ（7-3） ()⎪⎭⎫ ⎝⎛+=⎥⎦⎤⎢⎣⎡-⨯+h B R c t g L H L B B C 36.064.041100012δγ（7-4）（二） 煤柱的应力分布1．一侧采空煤柱（体）的弹塑性变形区及垂直应力的分布假设采空区周围的煤柱（体）处于弹性变形状态，煤柱的垂直应力σy 的分布如图7-3中1所示。
σy 随着与采空区边缘之间距离x 的增大，按负指教曲线关系衰减。
在高应力作用下，从煤体（煤柱）边缘到深部，都会出现塑性区（靠采空区侧应力低于原岩应力的部分称为破裂区）、弹性区及原岩应力区（图7-3）。
弹塑性变形状态下，煤柱（体）的垂直应力σy 的分布如图7-3中2所示。
图7-3 煤柱（体）的弹塑性变形区及垂直应力分布1—弹性应力分布；2—弹塑性应力分布；Ⅰ—破裂区；Ⅱ—塑性区；Ⅲ—弹性区应力升高部分；Ⅳ—原始应力区支承压力峰值与煤体（煤柱）边缘之间的距离x 0的方程式为：()φξφγξCctg p Cctg H K f M x ++=10ln 2 （7-5）式中 K —应力增高系数；p 1—支架对煤帮的阻力；M —煤层开采厚度；C —煤体的粘聚力；φ—煤体的内摩擦角；f —煤层与顶底板接触面的摩擦系数；ξ—三轴应力系数， φφξsin 1sin 1-+=。
柱式采空区煤柱稳定性分析与蹬空开采可行性研究_李登屹
层间距应大于下部煤层开采所形成的垮落带的高
度［1］。即最小层间距 Hb 为：
Hb=
M K- 1
+h
（1）
式中，M 为下煤层采高，m；K 为岩石碎胀系
数，取 1.3；h 为平衡岩层本身高度，m。
根据 8#、11# 煤层间岩性特征，11# 煤层顶板上
方厚 11.55 m 的粗砂岩可作为平衡岩层，故 h 取
11.55 m。代入计算得 Hb 的值为 22.78 m，而 8#、11# 煤层实际层间距为 23.81~42.15 m，平均 37.65 m，
可知 8# 煤层位于 11# 煤层采空区平衡岩层之上，
上覆岩（煤）层不会发生台阶错动，说明 8# 煤层可
以进行蹬空开采。
2.2 蹬空开采可行性的初步判定
此处分别利用采动影响倍数法、“三带”判别
+
θ 2
tanθ
（9）
式中，θ 为 7# 煤层底板岩体的内摩擦角，为
2011 年第 6 期 李登屹 柱式采空区煤柱稳定性分析与蹬空开采可行性研究
51
40.32°。经计算，hm=1.41 m。 可见，在 7# 煤层开采引起的支承压力作用
对 11# 煤层采空区上覆岩层的稳定性影响较小。
11# 煤层煤柱的稳定性较好，刀柱的边缘可能已经
破坏，但刀柱的中心核区还具有承载能力，8# 煤开
采后，刀柱破坏的可能性比较大，护巷煤柱的承载
能力高，稳定性相对较好。
4 7# 煤层开采下伏岩层破坏特征及煤柱 稳定性
4.1 7# 煤采空区煤柱变形破坏分析［4－5］ 4.1.1 煤柱受力分析
48
doi:10.3969/j.issn.1672- 9943.2011.06.020
我国条带煤柱稳定性研究现状及存在问题
第 卷第 期 年 月采矿与安全工程学报收稿日期!基金项目!教育部新世纪优秀人才支持计划 河南理工大学青年自然科学基金项目 作者简介!邹友峰 男 湖北省天门市人 教授 博士生导师 博士 从事矿山开采沉陷 岩层移动和 三下 采煤等方面的研究文章编号!我国条带煤柱稳定性研究现状及存在问题邹友峰!柴华彬河南理工大学测绘与国土信息工程学院 河南焦作摘要!为了揭示条带煤柱动力系统失稳的机理!丰富和发展条带开采优化设计理论!在综合分析大量文献的基础上!从煤柱的栽荷和强度"煤柱的尺寸设计"煤柱的稳定性分析等方面对条带煤柱的稳定性研究现状进行了论述 研究指出目前条带煤柱缺少在长期稳定性和动力稳定性方面的理论研究!通过深入系统地研究条带煤柱非线性动力系统稳定性的主要影响因素!应用非线性动力学理论!建立条带开采煤柱变形"破坏"滑动等非线性动力系统稳定性模型和稳定性的判定准则和分析方法!找出影响系统稳定性的控制变量!研究控制变量的变化规律!用调整系统控制变量的方法来防治系统失稳关键词!条带开采#煤柱#稳定性#非线性动力系统#研究现状中图分类号! 文献标识码!条带开采由于能有效地控制上覆岩层和地表沉陷 保护地面建 构 筑物和生态环境 在我国煤矿被广泛采用目前已成为我国铁路下 建筑物下及水体下压煤开采的有效技术途径 同时也是煤矿 绿色开采技术 体系中的重要内容之一鉴于条带开采在解放 三下 采煤中的重要作用 国内外学者对条带开采技术进行了大量的研究 特别是在条带开采地表移动的机理和规律。
条带开采地采矿与安全工程学报第卷表移动和变形预计条带煤柱载荷和强度的计算、条带开采尺寸设计条带煤柱稳定性的分析方法等方面取得了大量的研究成果条带开采煤柱的稳定与否是条带开采成败的关键煤柱稳定性是指在一定时间内在一定地质力和工程力的作用下因开采后煤柱内应力重新分布而出现弹塑性变形或裂隙但不产生破坏性的垮落和滑动煤柱作为顶板煤柱底板整体开采系统中的一部分由顶底板的失稳或者由于开采引起煤岩体中应力的变化当应力增加时煤柱边缘开始屈服或垮落都可能导致煤柱缓慢或突变性的失稳目前我国条带开采煤柱稳定性的研究主要包括煤柱的载荷和强度包括瞬时强度和长时强度理论煤柱的尺寸设计煤柱稳定性分析等方面我国条带煤往稳定性的研究现状煤往的载荷按照极限强度理论当煤柱所承受的载荷超过煤柱的强度时煤柱就要破坏此时的煤柱是不稳定的如果煤柱所承受的载荷小于煤柱的强度煤柱就是稳定的因此正确估算煤柱所承受的载荷是煤柱设计的关键步骤之一计算煤柱所承受的载荷主要有有效区域理论压力拱理论和两区约束理论等有效区域理论有效区域理论假定各煤柱支撑着它上部及与其相邻煤柱平分的采空区上部覆岩的重量煤柱的工作载荷是在煤柱影响区域内的固定载荷大多数条带开采中采出条带宽度较小采空区内除直接顶冒落外基本顶一般不冒落冒落歼石不接顶所以采空区歼石不承载因此可认为采出宽度上覆岩层的重量全部转移到所留煤柱宽度上条带煤柱上的载荷可由下式计算式中为煤柱平均载荷分别为留设煤柱宽度和采出宽度为覆岩平均密度为平均开采深度由于煤柱边缘的破裂和松动引起的煤柱有效承载面积的减少煤柱应力系数应增加为应力系数是条带煤柱在规定最小围岩压力状态下的应力与围岩实际工作压力状态下的应力之比是个无量纲参数当采出宽度比较大采空区冒落歼石直接接顶时可利用提出的方法计算采空区歼石承载能力认为当煤体一侧未采另一侧无限开采时采空区内距煤壁处歼石承载的载荷为且该处与煤壁间的应力按线性分布据此假设对有限采动情况进行叠加可以得到采空区内歼石承载情况下条带煤柱载荷的计算公式为压力拱理论由于采空区上方压力拱的形成上覆岩层的负载只有很少一部分即开采层面与拱周边之间构成的岩层重量作用到直接顶板上其它部分的覆岩重量会向采面两侧的实体煤区拱脚转移最大压力拱的形状被认为是椭圆形其高度在采面上下方分别约为采面宽度的借压力拱的内宽主要受上覆岩层厚度的影响压力拱的外宽则受覆岩内部组合的影响亦即与托板控制岩层的位置及几何力学特性有关如果采宽大于压力拱的内宽则负载分布会变得很复杂即一个拱脚在边侧实体煤上另一个拱脚在采空区上此时压力拱不稳定有可能崩溃并伴随大量的覆岩沉陷即使对于采宽小于压力拱内宽的条件其稳定性也会随时间而发生变化因此拱脚煤柱一定要有足够的强度两区约束理论认为采空区承担的载荷与采空区内各点顶底板闭合量有关采空区内各点的垂直应力与距煤壁的距离成正比当该距离达到时采空区内各点的垂直应力恢复至原始载荷我国学者在研究了煤柱设计公式后认为经验公式存在因简化而带来的问题即将煤体的内摩擦角取固定值简化了煤体极限强度的计算式而煤体内摩擦角对极限强度的影响很大不应该用一个定值简化计算等文献通过实验分析对屈服带宽度表达式以及宽厚条带煤柱的稳定性计算公式进行了改进煤往强度理论煤柱强度是指每单位煤柱面积上能承受的最大载荷它是煤柱稳定性分析的基础众所周知岩石的强度与其尺寸形状边界条件和加载方式有关煤柱强度不仅与煤块的强度有关且取决于煤柱尺寸煤柱内部地质构造煤柱的自由表面煤柱与顶底板的接触和轴结力围岩岩性煤柱侧向力开采方式及载荷的时间演化等诸多因素瞬时强度主要有核区强度不等理论罗布拉尔把煤柱核区强度与实际应力联系在一起从而确定核区内不同位置的强度提出了用于长条煤第期邹友峰等我国条带煤柱稳定性研究现状及存在问题柱破坏包络面计算的通用公式格罗布拉尔法在某种程度上与的两区约束理论极为相似但由于建立的常数复杂降低了其实用性大板裂隙理论白矛将采空区沿走向剖面视为边界作用均布载荷的无限大板中一个很扁的椭圆孔口利用弹性断裂理论推导出孔口端部煤柱距煤壁任一距离点的应力计算公式极限平衡理论阿尔拉麦夫侯朝炯和马念杰研究了承载矿柱与顶底板的接触面上有整体内聚力条件下的任意三边尺寸比值的矿柱应力状态并得到规则矿柱的顶面和中性面所受垂直应力的分布状态长时强度条带煤柱是一种在长期载荷作用下的受力结构体由于蠕变造成的应变能否趋于稳定取决于上覆岩层作用于煤柱上载荷的大小以及煤柱能使这种蠕变量保持稳定的临界载荷值的大小如果条带煤柱承受的恒定载荷小于这个临界值那么煤柱即使产生蠕变也只能是稳定蠕变不会造成条带煤柱的破坏失稳反之将出现不稳定蠕变这样在长期载荷的作用下蠕变量可能超过允许值最终导致条带煤柱的破坏失稳由于流变作用的影响条带煤柱的强度随上覆岩层作用的时间延长而降低其最低值就是时间趋于无限长时的强度该值是煤柱蠕变破坏的最低应力值即条带煤柱的长时强度煤柱的长时强度是一个很重要的流变力学指标在指标范围内煤柱可以长期受载其蠕变变形将趋于某一定值在煤柱设计时若仅参照煤柱的瞬时强度而不考虑煤柱的长时强度就不能确保条带煤柱的长期稳定性因此在进行煤柱强度计算时应以煤柱长时强度作为强度的计算指标文献认为岩石长时强度约为瞬时强度的煤往尺寸设计在条带开采尺寸设计研究方面一般认为有个基本准则一是条带煤柱有足够的强度和稳定性从而能长期有效支撑上覆岩层的载荷二是条带采宽应限制在不使地表出现波浪下沉盆地而呈现单一平缓的下沉盆地通常条带煤柱尺寸根据采深采厚采宽以及煤层和上覆岩层的力学性质等因素确定采宽根据采深和上覆岩层的岩性确定根据条带开采的经验条带采宽应不使地表出现波浪下沉盆地而呈现单一平缓的下沉盆地采出条带宽度一般为为采深当煤层顶板坚硬煤柱尺寸按单向受力状态计算采宽尺寸可按压力拱曲线理论计算单向应力法留设条带开采尺寸的基本原理为煤柱的单向抗压强度应大于矿体实际承受的荷载矿体实际承受的荷载可按有效区域理论确定煤层开采后采空区若被冒落歼石密实充填或充填法管理顶板时煤柱尺寸应按三向受力状态计算等在相同采出率的条件下增大采出条带的宽度可提高条带开采的效率文献将开采沉陷学与工程岩体力学弹塑性力学流变学相结合论述了条带开采采宽留宽优化设计原则和方法此外还有将岩层控制的关键层理论专家系统连续介质力学理论等用于条带开采设计煤往稳定性分析在煤柱稳定性分析方面的主要研究成果胡炳南从煤柱强度分析出发导出了任意方向弱面剪力强度安全系数计算式谢和平等提出了煤柱的破坏失稳是典型的非线性过程崔希民缨协兴应用从属面积法分析原理得出倾斜煤层条带煤柱应力表达式认为剪应力对煤柱强度和稳定性有影响高纬通过极限平衡法分析了煤层倾角对煤柱稳定性的影响邓喀中给出了含节理弱面煤层在单向和三向受力状态下条带煤柱的留设方法郭文兵采用模糊数学理论分析了条带煤柱的稳定性吴立新王金庄分析了煤柱屈服带宽度及其影响因素提出了条带煤柱屈服区极限平衡理论及煤柱屈服带宽度的变化规律和计算方法等上述所有方法未考虑煤层倾角煤柱剥落煤柱蠕变煤柱内瓦斯抽放水和湿度采区工作面几何形状对煤柱的影响解决的方法是通过加大煤柱设计宽度增大安全系数此外由于很难定量估计各种影响因素致使煤矿工程设计难度较大近年来非线性科学理论在矿业工程领域得到了越来越广泛的应用如神经网络理论已用于岩体力学参数的预测地表沉陷及其建筑物损害程度的预测等方面突变理论是用来研究不连续现象的一门新兴非线性科学在采矿工程等学科也得到广泛的应用条带煤往稳定性研究存在的问题尽管条带煤柱在煤柱载荷煤柱强度煤柱稳定性分析及其尺寸设计等方面取得了丰富的理论和实践经验但是在条带煤柱长期稳定性和条带煤柱动力稳定性方面的理论研究却很能少条带煤往长期稳定性条带开采能否取得成功其关键是要确保其条带开采工程岩体处于长期稳定煤柱的长期稳定性采矿与安全工程学报第卷是一大问题美国早期的房柱式开采在开采后几十年上百年后由于煤柱失稳曾引起地面突然沉降从而导致巨大危害因此采用煤柱支撑法时应考虑煤柱的长期稳定性大量的工程实践和理论研究表明矿山岩体采掘以后附近围岩中的应力重新分布而产生围岩的变形最初能够保持稳定的岩体但由于变形随时间推移而不断发展岩体可能最终发生失稳破坏即围岩体变形与时间因素密切相关所有岩体特别是中软弱岩体在载荷的长期作用下都具有其变形随时间延长而增大岩体强度随时间延长而降低的流变性质这一性质对于分析岩体工程的长期稳定性问题具有十分重要的意义然而在现有的条带开采稳定性的研究中大多未考虑时间因素条带煤往动力稳定性条带煤柱的失稳与破坏是典型的远离平衡态的非线性过程条带开采岩体动力稳定性是指煤柱上覆或下伏岩层力学系统在外力作用下在随时间流逝的过程中能否保持原来的平衡或运动状态和内部结构功能的性质如果在外界某种因素的扰动下岩层力学系统能够保持原来的平衡或运动状态则系统是稳定的平衡或运动状态同时系统保持了原有的内部结构功能如果岩层力学系统不能够保持原来的平衡或运动状态则系统是非稳定的平衡或运动状态从稳定的平衡或运动状态过渡到非稳定的平衡或运动状态的临界点就是系统的临界状态条带开采岩层失稳就是在外界的干扰下平衡状态或运动状态的突然改变过程在失稳过程中系统一般要释放大量的能量同时可能造成巨大的灾害并且系统失去原有的内部结构功能因此条带煤柱稳定性方面的研究有必要对其动力系统稳定性进行分析结论开采沉陷研究的主体就是采动岩体地下开采导致的覆岩移动破坏是非常复杂的非线性动态移动过程条带开采煤柱动力系统为一开放体系与其自身及其环境有着力学的能量的等各种耦合作用其失稳与破坏是典型的远离平衡态的非线性过程条带煤柱动力系统的演化总要趋向于一种吸引子态在不稳定的吸引子态一经外部触发系统的状态就要发生失稳这是条带开采煤柱运动破坏的规律结合非线性动力学理论系统深入研究条带开采煤柱动力稳定性的主要影响因素建立条带开采煤柱变形破坏滑动等稳定性模型和稳定性的判定准则和分析方法找出影响条带煤柱动力系统稳定性的控制变量并研究控制变量的变化规律用调整系统控制变量的方法来防治系统失稳条带开采煤柱动力系统稳定性研究对揭示条带开采岩体失稳的机理丰富和发展条带开采优化设计理论促进条带开采技术在三下采煤中的应用和发展提高地下煤炭资源采出率保护地表建筑物和生态环境实现煤炭工业的可持续发展具有重要的理论和实际意义参考文献!郭文兵邓喀中邹友峰岩层与地表移动控制技术的研究现状及展望中国安全科学学报钱鸣高许家林缨协兴等煤矿绿色开采技术中国矿业大学学报郭文兵邓喀中邹友峰我国条带开采的研究现状与主要问题煤炭科学技术邹友峰马伟民条带开采的主控因素矿山压力与顶板管理胡炳南袁亮条带开采沉陷主控因素分析及设计对策煤矿开采高纬条带开采岩层移动机理浅析矿山压力与顶板管理邹友峰何满潮条带开采地表沉陷预计的新理论水文地质工程地质第期邹友峰等我国条带煤柱稳定性研究现状及存在问题邹友峰马伟民何满朝等条采沉陷计算的空间分层介质力学法焦作矿业学院学报邹友峰邓喀中马伟民矿山开采沉陷工程徐州中国矿业大学出版社郭增长极不充分开采地表移动预计方法及建筑物深部压煤开采技术的研究北京中国矿业大学资源与安全工程学院吴立新王金庄郭增长煤柱设计与监测基础徐州中国矿业大学出版社王旭春黄福昌张怀新等威尔逊煤柱设计公式探讨及改进煤炭学报崔希民缨协兴条带煤柱中的应力分析与沉陷曲线形态研究中国矿业大学学报侯朝炯马念杰煤层巷道两帮煤体应力和极限平衡区的探讨煤炭学报刘沐宇徐长佑硬石膏的流变特性及其长期强度的确定中国矿业李世平岩石力学简明教程徐州中国矿业大学出版社邓广哲朱维申蠕变裂隙扩展与岩石长时强度效应实验研究实验力学胡炳南煤层群条带开采优化设计原则煤矿设计钱鸣高缨协兴许家林等岩层控制的关键层理论徐州中国矿业大学出版社张连贵黄福昌郭广礼等克州矿区综放开采地表移动盆地特征分析矿山测量胡炳南条带开采煤柱稳定性分析煤炭学报谢和平段发兵周宏伟等条带煤柱稳定性理论与分析方法研究进展中国矿业高纬倾斜煤柱稳定性的弹塑性分析力学与实践于广明地层沉陷中的突变现象及其研究进展辽宁工程技术大学学报王来贵何峰刘向峰等岩石试件非线性蠕变模型及其稳定性分析岩石力学与工程学报郭文兵邓喀中邹友峰走向条带煤柱破坏失稳的尖点突变模型岩石力学与工程学报!下WX Y"采矿与安全工程学报第卷参考文献!张晓春胡光伟杨挺青岩石板梁结构时间相关变形的稳定性分析武汉交通科技大学学报李云鹏王芝银单边自由的固支岩板轴弹性行为分析及其应用力学与实践刘宝深矿山岩体力学概论长沙湖南科技出版社余贤斌谢强李心一等岩石直接拉伸与压缩变形的循环加载实验与双模量本构模型岩土工程学报阿姆巴尔楚米扬不同模量弹性理论邹瑞锋张允译北京中国铁道出版社姚文娟叶志明不同模量横力弯曲梁的解析解应用数学和力学高潮刘相斌吕显强用拉压不同模量理论分析弯曲板计算力学学报陈志伟何江达张小平顺坡向单层岩体板裂结构模型轴弹塑性弯曲稳定分析四川大学学报工程科学版杨挺青罗文波徐平等轴弹性理论与应用北京科学出版社!上接第页"王来贵黄润秋岩石力学系统运动稳定性理论及其应用北京地质出版社郑颖人刘兴华近代非线性科学与岩石力学问题岩土工程学报。
大采高沿空掘巷小煤柱稳定性分析
ＣＨＥ ｈ ｎ — ｕ ． ＩＧｕ — ｈ ｎ Ｎ Ｃ ａ ｇ ｙ ｎ， Ｌ ｉ ｃ ｅ 一
（． ｈｎ ｆｎＥ ｇｎ ｅ ｎ ．Ｌｄ， ｎ ｈ ｎ ， ｉｎ ｘ ３ ０ ０ ， ｉａ １ Ｃ ｉａＮｅ ｎ ｉｅ ｒ ｇＣｏ， ｔ．Ｎａ ｃ ａ ｇ Ｊａ ｇ ｉ ３ ０ ２ Ｃｈｎ ； ｉ ｉ ２ Ｓ ｈ ｏ ｆＭｉｅ ， ｈｎ ｉｅｓ ｙｏ ｎｎ ． ｃ ｏ ｌ ｎ ｓ Ｃ ｉａＵｎｖ ｒｉ ｆ ｏ ｔ Ｍｉｉｇ＆ Ｔ ｃ ｎ ｌｇ ， ｚ ｏ ， ｉｎ ｓ ２ １ ０ ， ｈｎ ） ｅ ｈ ｏｏｙ Ｘｕ ｈ ｕ Ｊａ ｇｕ ２ ０ ８Ｃ ｉａ
［ 关键 词 ］ 大采 高 ； 小煤 柱 ； 空掘 巷 ； 值 计算 沿 数
中 图分 类 号 ： Ｄ ２ ＋ Ｔ ８ ２． ３ 文 献 标 识 码 ： Ｂ 文 章 编 号 ：１ ００ — ４
Ｒｅ ｅ ｒ ｈ ｎ Ｓｔ ｂｉｉｙ ｏ ｓ ａ ｃ ｏ ａ ｌｔ ｆ Ｇｏｂ ｉ ｉ ｉ ｔ ｙ ｉ ｒ ｅ Ｍ ｉ ｎ ｉ ｈｔＦａ ｅ －ｓｄｅ Ｄｒｖ ｎｇ Ｅｎ ｒ ｎ Ｌａ ｇ ｎｉ ｇ Ｈｅ ｇ ｃ
第 １ 第 ３ 期 ３卷
有 色 冶 金 设 计 与 研 究
２ １ 年 ０２
２ 月
大采高沿空掘巷小煤柱稳定性分析
陈 昌云 ， ，李桂 臣 １ 一
（． 国瑞 林工程 技术 有 限公 司， １中 江西 南 昌 ３ ０ ３ ； ． ３ ０ １ ２中国矿业 大学 矿 业工 程 学院 ，江苏 徐州 ２ １０ ） ２ ０ ８
ｓｄ ｒ ｉ ｇ ｅ ｔ ｎ ｌｒ ｅ ｍｉ ｉ ｇ ｈ ｉｈ ａ ｅ ｈ ｒ ｃｅ ｓｉ ｆｓｒ ｓ ｅ ｄ ａ ｄ ｄ ｓ ｌ ｃ ｍｅ ｔ ｆ ｌ ｓ ｃ ｌｕ ａｅ ．Ｃ ｍｐ ｒ ｄ ｗｉ ｈ ｉｅ ｄ ｖｎ ｎ ｒ ｉ ａ ｇ ｎｎ ｅｇ ｔｆｃ ，ｃ ａａ ｔ ｒ ｔ ｏ ｔ ｓ ｆ ｌ ｎ ｉｐ ａ ｅ ｎ ｅｄ ｉ ａｃ ｌｔｄ ｏ ａ ｅ ｔ ｔ ｅ ｉ ｙ ｉ ｃ ｅ ｉ ｉ ｈ ｃ ａａ ｔ ｒ ｔ ｆｓ ｅ ｓｆ ｌ ｎ ｉ ｌｃ ｍｅ ｔｆ ｌ ｆｔ ｅ ｄ ｉ ｔ ｉ ｅ ｅ ｔｍｉ ｉ ｇ ｄ ｐ ｈ ｔｉ ｒ ｐ ｓ ｄ ｔ ａ ５ ０ ｍ ｎ ｎ ｅ ｔ ｈ ｒ ｃｅ ｓｉ ｏ ｔ ｓ ｅ ｄ ａ ｄ ｄ ｓ ａ ｅ ｎ ｅｄ ｏ ｒ ｗｉ ｄｆ ｒ ｎ ｎ ｎ ｅ ｔ ，ｉ ｓ ｐ ｏ ｏ ｅ ｈ ｔ－ ０ ｍｉ ｉｇ ｄ ｐ ｈ ｉ ｃ ｒ ｉ ｐ ｉ ｈ ｔ ｆ ｈ ｆ ｓ ｏ ｌ ａ ｅ ３ ５ ｍ ｉ ｔ ｆ ｈ ｉ ａ ， ７ ０ ｍ ｎ ｎ ｅ ｔ ｈ ｕ ｄ ｔｋ ￣ ｗｉ ｔ ｆｔｅ ｓ ｌ ｐ ｌ ｒ ａ ｏ ｅ－ ０ ０ ｍ ｎｎ ｅ ｔ ｈ ｕ ｄ ｔ ｋ － ｗ ｄ ｈ ｏ ｅ ｐ ｌ ｒ 一 ０ ｍｉｉ ｇ ｄ ｐ ｈ ｓ ｏ ｌ ａ ｅ ５ ７ ｍ ｄ ｈ ｏ ｍａ ｌ ｉ ａ ， ｂ ｖ １ ０ ｍｉ ｉ ｇ ｄ ｐ ｈ ｔ ｌ ｈ ｌ ｓ ｏ ｌ ａ ｅ ｍｏ ｅ ｔ ａ ｍ ｉ ｔ ｆ ｏ ｌｐｌ ｒ ｈ ｕ ｄ ｔｋ ｒ ｎ ７ ｗ ｄｈ ｏ ａ ｉ ａ ． ｈ ｃ ｌ Ｋｅ ｗｏ ｄ ｌｒ ｅ ｍｉｉ ｇ ｈ ｉｈ ； ｍａｌ ｏ ｌ ｐｌ ｒ ｇ ｂ ｓ ｅ ｅ ｔ ｒ ｉ ｇ ｎ ｍｅ ｃ ｌｃ ｌｕ ａｉ ｎ ｙ ｒ ｓ ａｇ ｎ ｎ ｅ ｇ ｔ ｓ ｌ ｃ ａ － ｉ ａ ； ｏ － ｉ ｎｒ ｄ ｖｎ ； ｕ ｒ ａ ａｃ ｌ ｔ ｌ ｄ ｙ ｉ ｉ ｏ
房柱式采煤法煤柱的稳定性分析
５ 结 语 合 理地 确定 煤房 和煤 柱尺 寸 、 道 的布置 方式 ， 巷
对 于安 全高 效 的房柱式 开 采意义 重 大 。确 定煤 房 的
宽 度应 充分 考虑 顶 板 岩梁 是 否 稳 定 、 备 运行 所 需 设 要 的最 大宽度 ； 定 煤 柱 的 尺寸 应 充 分 考 虑地 质 条 确
一
杨
青 （９ ３ ） 男 ，３ ０ １安徽省合 肥市宣城路 ８ 号 。 １ ８一 ， ２ ０ ０ １
南 ｐ Ｌ 一面 了
杨 青 ： 柱 式采煤 法煤 柱 的稳 定性分 析 房
２１ 年 １ ０１ ０月第 １ ０期
由计算结 果 知道 ， 回收房式 开采 煤柱 时 ， 全 系 安 数 为 １８ ， ．７ 开采 引起 的应力 集 中不会 对 煤 柱造 成 破
该煤 矿 房式 开 采 的相 关参 数 ： ］＝ ６ＭＰ ； ［ ３ ａｇ
＝
８８１；＿ ． ａ ． ｆ ４ ７ｎ。代入上式 ， ３ ３ 得 ＝ ５２Ｍ ａ ３ ． Ｐ 。 房柱 式 规格 为 ８ ８ｍ ｘ８ ８ ｍ ×４ ７ｍ， ． ． ． 因此 煤
Ｆ ＝卢 Ｓ ＝２ ３×１ ｋ ． ７ ０ Ｎ
６ 。 Ｎ
’
其稳定性分析［ ］． Ｊ 煤炭学报 ，０ １２ （ ２ ０ ，６ 增刊） ７ －５ ：１７ ．
［ ２］ 赵 国旭 ， 和 平 ，马 伟 民 ．宽 厚 煤 柱 的 稳 定 性 研 究 ［ ］ 辽 宁 谢 Ｊ． 工 程 技 术 大 学学 报 ， ０ ４， ３ １ ：８４ ． ２０ ２ （ ） ３ －０ ［ ］ 翟 所 业 ，张 开 智．煤 柱 中部 弹 性 区 的 临界 宽 度 ［ ］ ３ Ｊ ．矿 山压 力 与 顶 板 管 理 ， ０ ３ ９ ４ １—６ ２０ ，１ （ ）：４１ ．
区段煤柱合理宽度及巷道围岩稳定性研究
降到 一定 的数 值 以后保 持 稳 定 。根 据 煤 岩力 学 试 验研 究结 果 和相关 资料 对 比 ， 模 拟 计 算采 用 的煤 、 岩 体力 学 参数 由表 １ 给出。 ３合理 护巷 煤柱 宽度 的研 究 通过 数值 模拟 手段 ， 分析 １ ２ ３ ２ （ ３ ） 工 作 面上顺 槽 和 １ ２ ２ ２ （ ３ ） 采 空 区之 间 的煤 柱 宽度 由 ３ ｍ－ － － ￣ ２ ０ ｍ时 ， 巷 道 围岩 应力 场 、 破 坏场 及位 移 场 的分 布 特 征 ， 以此 为参 考 点从 而评 价对 巷 道 围岩 稳 定 性 的影 响 ， 最 终 本 着 巷 道 围岩 的应力 集 中范 围小 ， 巷 道 围岩 的位 移 变形 量 小 ， 巷 道 围岩破 坏 的范 围少 的原 则 确 定 合 理 的煤 柱 宽 度 ， 避 免资 源浪 费 。在 对 倾 斜 煤 层 力 学 状 态 进 行 研 究 时 ， 仅 考虑 １ ２ ２ ２ （ ３ ） 采 空 区对 煤 岩 体 的影 响 。数值 模 拟 煤 柱 的宽 度分别 为 ５ ｍ、 ７ ｍ、 １ ０ ｍ、 １ ５ ｍ。
ｄ ｏ ｉ ： １ ０ ． ３ ９ ６ ９ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ ８— ０ １ ５ ５ ． ２ ０ １ ３ ． ０ ８ ． ０ ７ ３
中 图分 类 号 ： Ｆ ４ ０ ７ ． ２ １ ； Ｔ Ｄ ３ ２ ２
文 献 标 志码 ： Ｂ
文章编号 ： １ ０ ０ ８— ０ １ ５ ５ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ８— ０ １ ２ １ — ０ ２
有效开采提供理论依据。 １工 作面地 质 概况 以淮北 矿 区谢桥 煤矿 １ ２ ３ ２ （ ３ ） 工作 面 为例 ， 该工 作 面开 采 １ ３ — １煤 层 ， 其 走 向长 ３ ０ １ ５ ． ２ ｍ， 倾 斜 长 ２ ３ ４ ． ３ ｒ ｎ ／ １ １ ９ ． ０ ｍ， 对应 地 面标 高 ＋ ２ １ ． ６ ｍ ～＋２ ７ ． ０ ｍ， 工 作 面标 高 一４ ６ ３ ． ６ ｍ ～ 一５ ５ ５ ． ３ ｍ。１ ３—１煤 层 结 构 简 单， 开采 厚 度 平 均 为 ４ ． ６ ５ ｍ， 煤 层倾角 平均 为 １ ４ ． ８ 。 。 煤层 的顶 板 为 泥岩 及 １ ３—２煤 ， 局 部 为 砂 岩 直 接 覆 盖 于煤 层 之 上 ， 底 板 为 砂 质 泥 岩 。 与 该 工 作 面 相 邻 的 １ ２ ２ ２ （ ３ ） 工作 面 已 回采 完 毕 ， 上 顺 槽 采 用 锚 网支 护 ， 与 １ ２ ２ ２ （ ３ ） 工作 面 之 间区段 煤柱 尺 寸为 ７ ． ０ ｍ。
煤柱稳定性计算
非煤：矿柱稳定性分析矿柱稳定性分析和评价矿柱不仅用于维护矿房的稳定，也用于隔离大面积空场与保护井巷、地表及建筑物的安全，矿柱形状及尺寸的选择既关系到采场的稳定性又关系到矿石回收率的高低，在实际工作中必须兼顾这两方面的因素，既能维护采场的稳定性，又能使矿石回收率最高。
从维护采场稳定性方面考虑，矿柱间距应小于极限跨度，矿柱横断面尺寸应满足强度要求。
如果个别矿柱尺寸过小，一旦被压跨，势必使采场实际跨度过大而导致冒顶，与此同时覆岩压力转移到其它相邻矿柱上也可能迫使这些矿柱破坏，引起连锁反应。
在矿体采矿引起了应力重新分布和矿柱荷载的增加，如图所示。
如果矿柱中的应力状态低于原岩强度，则矿柱保持完整。
当矿柱发生破裂时，采矿所关心的通常是矿柱峰值承载能力上。
其次关心的是矿柱峰值后，或是最终的荷载位移特性。
图矿柱轴线方向应力分量随着采场采矿的重分布矿柱对采矿所引起荷载的整体响应取决于该矿柱的绝对或相对大小。
矿柱岩体的地质构造和围岩对矿柱所施加的表面约束特性，图为矿柱变形性状的主要模式。
图矿柱变形性状的主要模式值得指出的是，矿柱在外载荷达极限值虽可能出现破裂，但并未立即丧失全部承载能力，其发展结果有两种：（1）破坏不再发展，矿柱继续保持稳定。
若顶板载荷随其下沉变形迅速降低，则矿柱屈服后仍可依靠残余强度支承地压，即继续保持自身的稳定。
（2）矿柱的破坏继续发展直至丧失稳定若顶板载荷随顶板的下沉变化很小，矿柱屈服后的残余强度不足以支承地压，故矿柱一旦屈服或破裂，必然一直发展至完全坍塌为止。
以上分析了矿柱设计的一般性原则，本次安全评价中采用了理论计算法对XXXXX 矿柱的稳定性分析。
3.1矿柱稳定性影响因素影响矿柱稳定性的因素较多，本次矿柱稳定性分析计算所考虑的影响因素主要有如下几项：（1）矿柱受载大小；（2）矿柱的高宽比；矿柱宽高比大的矿柱稳定性好，常常以宽高比做为矿柱设计的主要指标。
（3）矿房的尺寸与矿柱尺寸；矿房尺寸与矿柱分布应相互协调，矿柱的分布及尺寸宜保持均匀一致，否则尺寸小的或支护面积大的矿柱，可能先期破坏而将载荷转嫁于相邻矿柱，造成大面积垮塌。
回采巷道煤柱稳定性影响研究
日 ≥ ｏ ＋ ２ ＋ Ｒ ＝ ｌ ｎ Ｉ — — ｌ ＋ ２ ＋ ｔ ａ ｎ ｏ ｌ
收稿 日期 ： ２ ０ １ ３ — ０ ３ 一 ｌ ｌ
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作者简 介 ： 董旭东（ １ ９ ８ ４ 一 ） ， 男， 山西忻州人 ， 大学本科 ， 助理工程师 ， 从事矿山压力及支护方面的工作 。
２ 煤柱宽度数值模拟
１ ） 模型 建立 ： 根据 ８ １ ０ ６工作 面及其邻 近 面的基本 情 况 ，利 用 Ｆ Ｌ Ａ Ｃ ∞数值模拟软件对 不 同宽度 的煤柱进
行模 拟 ，得 出不 同宽度煤柱 （ ２ ５ ｉ ｎ 、 ３ ０ ｎ ｌ 、 ３ ５ ｎ ｌ 、 ４ ０ ｉ ｎ 、 ４ ５ Ｉ ｎ 、 ５ ０ Ｉ ｎ 、 ５ ５ ｉ ｎ 、 ６ ０ ｉ ｎ ） 的塑性 区 、 应力 、 位 移分 布 ， 确 定能
第３ ３ 卷 第７ 期
２ ０１ ３ 年７ 月
ＶＯＩ ． ３３ ＮＯ． ７
山 西 煤 炭 ＳＨＡＮ ＸＩ ＭＥＩ Ｔ ＡＮ
Ｊ ｕ ｌ ２ ０ １ ３
文章编号 ： １ ６ ７ ２ — ５ ０ ５ ０ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ７ — ０ ０ ５ １ — ０ ３
回采巷道煤柱稳定性影响研究
２ ～３， Ｔ Ｈ ＝１ ３． ８ ＭＰ ａ， ＝ ０， Ｍ＝１ ５ ． ３ １ Ｔ Ｉ ， Ｃｏ ＝２ ． ０ ５ ＭＰａ，
０ ＝ ５ ５ 。带 入上 式 ，得 某 矿煤柱 稳 定状 态 的宽度 Ｂ≥
（ ３ ０ ． １ ～ ３ ２ ． ９ ） Ｉ Ｔ Ｉ 。
１ 煤柱宽度尺 寸计算
１ ） 工 程概况 ： 某 矿现开采煤 层为石 炭二 叠系煤层 、 结构 复杂 ， 含４ — １ Ｏ层夹石 ， 岩性一般 为炭质 泥岩 、 高 岭
柱式采空区煤柱稳定性分析与蹬空开采可行性研究
＝ ￣ ； ｖＺ ／ Ｒｑ
（） ３
式 中 ，， １ 层 老顶 的厚 度 ， Ｒ， １ ｈ 为 １煤 ｍ； 为 １
围之 内 ， 层结 构会 受 到一定 程 度 的破坏 ， 要采 煤 需 取 一 定 的安全 措施 才 能保证 ８煤 层 的正常 开采 。
１ 煤层 采用 刀柱 式开采 ， １ 留设 的煤柱 主要 是
采空 区刀柱 、 巷道保护煤柱和井田边界保护煤柱。 ３２１ 煤 柱受 力分 析 ．．
式中 ， Ｐ为煤 柱上 的总 载荷 ，Ｎ； 为煤 柱 宽 ｋ
度 ， 为采空区上覆岩层垮落角 ， ｍ； 一般为 ６ 。 ５； 为上 覆岩层 平 均容重 ， Ｎｍ ； 为载荷 系数 。 ｋ ／ 由于 上 覆 岩 层 结 构 一 般 具 有 一 定 的 自承 能 力 ，覆 岩传 递下 来 的 自重 应力 只是 岩层 自重 应力 的一部分 ， 当煤柱两侧均被采空时 ， 一般取岩层载 荷 传 递系数 ：／， １３则煤 柱 上单位 面积 的载 荷 即平 均 应力 为 ：
２ １ 年第 ６期 ０ １
李登 屹
柱式 采空 区煤 柱稳 定性 分析 与蹬 空 开采 可行性 研究
４ ９
“ 带 ” 别 理 论认 为下 部 煤层 开采 后 ， 空 三 判 采
采对 层 间岩 层 的影 响 ，计 算 １ 老顶 的破 断距 煤 １
为：
区上覆岩层将产生移动变形 ， 可能会形成“ 三带” ， 即垮落 带 、 隙带 和弯 曲下沉 带 。 裂 （） １ 垮落带高度的确定。 根据现场数据计算 ，
长壁间歇式开采区煤柱应力监测方法与稳定性分析
长壁间歇式开采区煤柱应力监测方法与稳定性分析王振华;白如鸿;杨文清【摘要】为了解决陕北浅埋煤层中小煤矿开采时具有矿压显现剧烈、工作面支护难度大、项板岩层控制难度大等问题,本文在以往提出的间歇式采煤方法的基础上,分析了间歇式采煤间隔煤柱、临时煤柱的作用,提出了这2种煤柱的应力监测站布置方法、监测设备、监测结果的应用,并利用顶板位移传感器和顶板压力传感器对煤柱的应力分布进行了监测,发现煤柱应力出现了缓慢增加、快速增加和缓慢降低的过程,并以此为依据对隔离与临时煤柱的稳定性做出进一步的分析研究,结果表明:间歇式采煤过程中,隔离煤柱的合理留设能够基本控制浅埋煤层矿压显现剧烈等矿压问题,研究结论对神府矿区长壁开采具有一定的理论指导意义.【期刊名称】《西安科技大学学报》【年(卷),期】2014(034)005【总页数】5页(P528-532)【关键词】应力监测;隔离煤柱;煤柱稳定性;间歇式采煤方法【作者】王振华;白如鸿;杨文清【作者单位】榆林市杨伙盘煤矿,陕西神木719316;榆林市杨伙盘煤矿,陕西神木719316;陕西南梁矿业有限公司,陕西神木719316【正文语种】中文【中图分类】TD3550 引言神府矿区浅埋煤层矿山压力显现剧烈［1－3］，工作面支护阻力大。
对于该区的地方小矿，无论是采用传统的房柱式开采方法［4－5］，还是采5米留5米的长壁煤柱支撑开采方法，不仅煤炭的采出率很低，还具有顶板大面积陷落等灾变危险，严重威胁矿井安全生产与从业人员安全。
为此，一些地方小型煤矿曾改用单体支柱长壁式采煤方法，但因单体支柱支护强度不够，在顶板来压时不能有效的控制顶板，工作面出现台阶切落，支柱被“压死”，单体支柱长壁采煤方法不得不很快“下马”。
杨伙盘煤矿原设计为0.3 Mt/a的中型煤矿，设计采煤方法为高档普采，1995年开工建设，由于资金不足等原因，1998年投产时只移交了一个30101长壁炮采工作面。
在30101工作面推采了40 m，初次来压之前暂停推采，总结了原哈拉沟煤矿等周边类似工作面失败的教训，在调研和分析了类似地质条件长壁工作面初次来压步距的基础上，杨伙盘煤矿提出并实践了“长壁间歇式”开采方法，即工作面长壁布置间隔推进，也就是工作面每推进一定长度，根据需要留一定宽度的煤柱［6］，在工作面来压之前，工作面整体搬家到新开切眼再继续推进，从而避开初次来压。
近距离煤层开采区段煤柱留设研究
运用 ＦＡ ３ Ｌ Ｃ Ｄ数值 计算 软件 ． 三维 计算 模 型 的 将
长Ｘ 高设置 为 ３ ０ ｌＯ ｘ ２ ｍ 共 划分 出 １０ ０ 宽× ０ ｍｘ Ｏ ｍ １０ ２ ００ 个长方 体单元 和 １ ８ ０ ０个 网格 点 模 型侧 面限制水 ３ ５０
现为造 成煤柱 强度 的各 向异性 和煤 柱强度 的降低
２ 围岩 对 煤 柱 的 影 响 ．
Hale Waihona Puke 平移 动 ． 施 加 随深 度 变化 的水平 压 应 力 ， 型 的底 并 模 面 限制水平 移 动和垂 直移 动 ． 型 的上部 施加 上覆 岩 模 层 的 白重 应力 研 究范 围内 的岩 层采 用 莫 尔库 仑 模
应 力而增加 的煤柱 屈服 区宽度 图 ｌ为煤柱顶 底板 岩
层应力 分布
图 ２ 计 算 模 型 的 三 维 网 格 划 分 圈
＼
图 １煤 柱 理 想 弹 塑 性 分 区及 支 承 压 力 分 布
２单一煤层 模拟 结果分析 ．
图 ３ 工作 面推 过 ３ ｍ 后 。 同煤柱 宽度 条件 下 是 ０ 不 主应力分 布 。通过模 拟发现 ． 大煤柱 虽然稳 定 ， 同时 但
Ｚ（ 二
卜Ｚ０Ｉ １ ＿ ０ 科 学 技 １ 言
现代 矿压理 论认 为 ． 应力 集 中程度 对巷 道 的矿 压 显 现程度 起决 定作 用 ． 巷道 布 置在煤 柱 下方 的低 应 将
３宽 高 比 的 影 响 ．
根据 国内外研究 的结果 和经 验数 据可 知 ． 柱 强 煤
力 区是实 现 主动控 制巷 道稳 定性 的根 本途 径 ． 而 巷 度 和 压缩 变 形 变化 的总趋 势 是 随煤 柱 宽 高 比增 大 而 然 道 布置受 多方 面 因素影 响 ． 不 都能将 巷 道布 置在 应 增 大 的 同时 ． 并 煤层 倾 角对煤 柱 稳定性 的影 响不 容 忽 力 降低 区 ． 就需要 研究 近距 离煤 层煤 柱 在底板 中的 这 视． 随煤 层倾 角 的增 大 ． 直 于煤层 层 面 方 向的 弯 曲 垂
采场超前煤柱稳定性以及可控性分析
的失稳准则一般采用极限强度理论。 在回收煤柱的 过程 中， 当遇到比较小的煤柱的时候， 一定要加强 支护或采取其它措施。以 免煤柱被压坏。 ３影响煤柱回收因素分析 影响煤柱回收因素中除了煤柱的稳定性之外 ， 还有以下几个方面的因素 ： ３ 上覆 岩层 的组成 ． １ 上覆岩层的组成不仅关系到煤柱尺寸的确定 、 设备选型、顶板管理方式以 及开采工艺的选择等 ， 而且还影响到矿井的经济效益。 房柱式开采法要求 煤层上覆岩层具备在合理尺寸的煤柱和临时支护 的控制 ， 开拓准备且 一 程能安全的完成 ， 而在煤 柱被后退 回收后叉易于垮落 的条件 。顶板岩层松 软， 煤柱回收时， 顶板管理困难 ， 易发生事故 ， 且为 了支护松软的顶板 ， 需要留设较大的煤柱， 煤炭损 失大， 不经济； 顶板十分坚硬， 煤柱回收后 ， 可能形成 大面积悬顶 ， 将导致残 留煤柱上的压力集中， 会形 成大面积的冒 顶事故 ， 造成人员伤亡和遗弃大量的 煤炭 ， 而为了防止大面积的冒顶事故 ， 则需实行强 迫放顶 ， 增加了成本， 也不经济。 ３ ＿ ２底板岩石的组成 由于底板在过高的顶板压力作用下会发生塑 性流变 ， 引起煤柱钻底。因而， 在确定煤柱尺寸、 开 采方法和煤柱回收的时候 ， 必须考虑底板的岩石状 况担 由于顶板高压力引起的底板轻微上鼓都可使 两帮煤柱显出顶板的应力得到卸载 ， 可提高顶板的 稳定性。理想的开采条件是有坚硬的页岩底板 ， 并 且顶、 底板和煤柱有足够的让压能力。 ３ ． ３地质构 造 异常的地质构造影响着开采方法的选择。 煤 当 被侵蚀 ， 出现顶板下沉、 或底板上鼓 ， 形成煤层尖灭 区， 或煤层中出现夹层及岩床或粘土岩脉时， 由于 存在一些滑移面 ，因而采用后退式开采法是危险 的。煤层中 存在着小到几毫米 ， 大到几米的硫铁矿 结核， 会妨碍开采作业 ， 使煤柱的回收速度放慢。 而 当岩层中存在不同于岩枕的 ， 老树干、 由 化石树干、 矿物或动物骨骼等形成的零星岩块时 ， 由于其与煤 或顶板岩层胶结很差 ， 可能突然的掉下来 ， 因而在 回 采煤柱遇到这类情况时， 必须采取特殊的控制措
深部矿井边界煤柱稳定性分析
深部矿井边界煤柱稳定性分析基于极限平衡理论和数值模拟技术，对东滩煤矿1309工作面开采后形成的矿井边界煤柱的稳定性进行研究，探讨了边界煤柱受力破坏特征，及煤柱保持稳定时的最小临界宽度。
结果表明：矿井边界煤柱保持稳定的最小宽度约为44m，实际留设煤柱宽度50m满足稳定性要求，但煤层回采时煤柱内应力集中程度较高，应加强监测，防止冲击地压发生。
研究结果为东滩矿与邻近矿井边界煤柱的合理留置以及冲击地压防治提供借鉴。
标签：边界煤柱，稳定性，理论分析，数值模拟在煤矿生产中，煤柱的稳定性是保证巷道和采场安全的关键。
国内外众多学者对煤柱的稳定性进行过相关研究，如陈绍杰等[1]对深部条带煤柱的蠕变支承效应进行过研究；孙兴忠等[2]对大采高综放工作面停采线煤柱内的应力分布规律进行研究；王琦、樊运平等[3]则对厚煤层综放双巷工作面巷间煤柱尺寸开展研究；此外，严书政、王峰分别对采区区段煤柱和沿空掘巷窄煤柱的合理尺寸进行过理论和数值分析。
本文对东滩矿1309工作面开采后与北部兴隆庄煤矿形成的矿井边界煤柱的稳定性及合理尺寸进行分析，旨在为两矿边界煤柱的合理设计提供借鉴。
1 工程概况东滩矿1309工作面北邻兴隆庄煤矿1306面采空区，留设50m矿井边界煤柱，南邻1308工作面采空区，东侧为实体煤。
工作面埋藏深度481.0～541.2m。
工作面宽度为220m，走向推进长度为1930m。
东滩矿1309工作面开采后，矿井边界煤柱处于两侧充分采动临空状态，煤柱煤体可能出现破坏。
若边界煤柱宽度不合理，将难以承载上覆岩层重量而引起煤柱整体失稳，诱发冲击地压事故。
2 煤柱稳定性理论分析煤柱失稳判据根据矿山压力理论，煤层开采后，煤柱边缘会出现应力集中，形成塑性区，而集中应力向煤柱深部转移，这使煤柱宽度范围内分成塑性区（Ⅰ和Ⅱ区）和弹性区（Ⅲ区）。
R、x0—分别为煤柱两侧塑性区宽度；为煤柱中部弹性区宽度。
则煤柱保持稳定性宽度B为：（1），根据经验，L通常應大于或等于两倍的煤层厚度。
条带开采煤柱稳定性影响因素分析
性面 ， 因此便可计算出破坏 区的最大宽度 ， 除了 ｚ 以外 ， 开采扰动因子 ｄ 对遗留的条带煤柱破坏区也产生不利
影响。 通过 以上 分析 ， 结合 柳 新煤 矿 开 采 技术 条 件 ， 条 带
煤柱破坏区宽度方程可表示为：
Ｈ ｚ ｄ Ｉ
式中： 一 等 价采 高 ， ｍ； 煤 壁承 受 的侧 向约束 力 ， ＭＰ ａ 。
【 － ＋ ０ 。 】 ＋ ． ５
＝
５ ． １ （ ｍ）
采矿工程是一个 复杂 的系统 ， 为了防止因材料 的 缺点 、 工作的偏差、 外力的突增等 因素所 引起 的后果 ， 工程 的受 力部 分实 际上 能够 担 负 的 力必 须 大 于 其容 许 担 负的 力 ， 为 此 引入 了安全 系数 。 通过对 Ａ ． Ｈ ． Ｗｉ ｌ ｓ ｏ ｎ 煤柱强度公式的研究 ， 发现该 安全系数可有效反映遗 留条带煤柱 的稳定 性。因此 ， 安全系数 ｓ ， 可通过下式计算 ：
１ ５ ６
在条带煤柱仅 承受正应力 的情 况下 ， 安全 系数 ｓ ， 可 通 过下 式计 算 。
｜ 一
ｃ ｏ ｏ Ｌ ＋ ｌ ｆ ｓ ｉ ｎ ｎ
（ １ １ ） 。
通过上式可以发现 ， 侧压系数 、 采 出率和煤层倾 角 都对 安 全系 数 产 生 影 响 。采 出率 越 高 侧 压 系 数 越 大 ， 则 安全 系数 越 小 。将 柳 新矿 生产 技 术 条件 带 入 上 式得 ｓ ， ＝ ３ ． １ ≥１ ， 满足工程要求。
一
㈣
带煤柱破坏区动态演化 角度入手 ， 煤 炭科学研 究总院 吴立新提出了水平应 力系数与煤 体泊松 比 的关系 ， 即 ＝ｐ， 总 结 出通常 情况 下 １ ３ ＝ ０ ． ３ ４ 。 条带开采结束后 ， 遗 留的煤柱将 经受漫长的流变 过程 ， 若“ 核 区” 消失则煤柱将失去抵抗顶板变形的能 力 。正 因如此 ， 国 内外 专家学 者 以 “ 核 区 与 煤柱 破 坏 区 关 系” 为前 提 ， 提 出了 Ａ． Ｈ． Ｗｉ ｌ ｓ ｏ ｎ公 式 、 极 限 平衡 理 论 公 式和压 力拱 理 论 等 ， 通 过诸 多基 础 研 究 来 分 析 破 坏 区宽度和条带煤柱稳定性的关系［ ５ ］ 。 ２煤柱极 限强度 煤柱 全 剖面上 应 力最 大值 位 于核 区和 煤 柱破 坏 区 分 界面位 置 。如 果 不 存 在 侧 向 约束 力 ， 即 不 考 虑 条 带 开采 后采 空 区矸石 对煤 柱 的 约束 或 者条 带 开采 后 采 空 区未充填 ， 煤柱 自身支撑上覆岩层重量时 ， 以上最大值 所 能达 到的 的极限 。 柳新煤矿条带开采后在 回收煤柱 时对采空区施行 了矸石 充填 处 理 ， 这 在 一 定 程 度 上 与 剩 余 煤 柱 单 侧 的 塑 性破坏 区 组 成 二 元承 载 结 构 ， 共 同 对 核 区 起 到 侧 向 约束 。因此 可 以使 用 Ｉ ｒ ｗ ｉ ｎ的 塑性 约束 系数 ６ 理论。
综放工作面沿空留巷巷旁煤柱稳定性分析
试验硏究总第214淛doi:10‘ 3969/j‘ issn‘ 1005 -2798‘ 2017‘ 06‘ 001综放工作面沿全留巷巷奈堞祛穗走性分析王平清(潞安集团古城煤矿建设管理处，山西长治046100)摘要:针对古城矿井首采面采用沿空留巷时巷旁煤柱的宽度进行理论分析与计算,结果表明工作面沿空 留巷巷旁煤柱留设较充裕，现场观察仅在煤柱顶角处存在局部的片帮和鼓包,通过缩小锚杆间排距并加密 锚索对煤柱和顶板进行补强,效果满足预期要求。
关键词：综放开采；沿空留巷；煤柱宽度中图分类号:TD353文献标识码:A文章编号= 1005-2798 (2017) 06-0001-02The Stability Analysis on Coal Pillar in Fully-mechanized Caving FacesWANG Ping-qing{Construction Management Office o f Gucheng Coal Mine of Lu a n Group, Changzhi 046100, China )Abstract ： In view of the first mining face of Gucheng Coal Mine using gob - side entiyretaining, the theoretical result shows that the design coal pillar mining design is logical, only in the roof and presence of the coal pillar for skiving and bulge, the scene can be through by a series steps for the measured along the empty left lane beside the coal pillar stability, the field measurement results indicate that the steps can meet the expected requirements.Key w ords ： full-mechanized caving mining ； gob-side entiyretaining ； pillar width古城煤矿作为璐安集团下属新建矿井，目前已进入联合试运转阶段，其N 1303首采面煤层厚度大 且瓦斯含量高，工作面上隅角和回风巷瓦斯超限问 题突出。
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4.2区段煤柱稳定性分析
1 刀柱煤柱的弹塑性变形区分析
我国对煤柱的稳定性进行分析时,应用最多的是英国学者 A.H.威尔逊(Wilson,1972)的煤柱设计公式.由于该理论是建立在三向强度特性的基础上,克服了其他方法的缺陷,因而更加实用和可靠.
A.H.威尔逊于1972年提出了两区约束理论,如图1所示
通过对刀柱煤柱加载试验,发现在加载的过程中煤柱的应力是变化的, 从煤柱应力峰值σ1到煤柱边界这一区段,煤体应力超过了煤体的屈服点,并且向采空区有一定量的流动,这个区域为屈服区,其宽度用Y表示,在高应力作用下,靠近采空区侧应力低于原岩应力的部分称为破裂区.屈服区向里的煤体变形较小,煤体应力没有超过煤体的屈服点,基本上符合弹性法则,这个区域被屈服区所包围,并受屈服区的约束,处于三轴应力状态,为煤柱核区,该区在尺寸较大时,弹性核区内有一部分核区的应力为原岩应力,这部分核区为原岩应力区.
A.H.威尔逊通过实验得出了屈服区宽度Y与采深H和采厚M之间的关系为：
Y=0.00492MH
由图2所示的三向应力状态下的极限平衡条件可知,在三向应力状态下应有式(2-5)和(2-6):
在煤柱的边缘,煤柱的侧向应力σ3=0,屈服区侧向应力σ3由外向里逐渐增大,至与煤柱核区交界处时σ3的值为最大, σ3恢复到开采前的原岩自重应力σ3=γh.一旦煤柱核区内部的应力达到峰值应力,则核区弹性状态就会逐渐消失,煤柱必将失去其稳定性.将σ3代入式(2-6)得到式(2-7):
h—开采深度,m.
窑煤矿11#、12#层及其顶底板岩石物理力学参数，并结合11#煤层赋存情况可知，11#煤层平均开采厚度为4.02m，开采深度为235m，11号煤层的内摩擦角φ为31°，粘聚力c 为1.19MPa，覆岩的容重γ为0.025MN/m3.把相关数据代入式（2-7）得：σ1=22.56MPa
则煤柱核区交界处受到的最大主应力为22.56MPa。
2 刀柱煤柱承受载荷的计算
2.1 刀柱煤柱所能承受的极限载荷
对于11#煤层的煤柱而言，由于其长度远大于宽度，故可将其视为平面问题，因而可以忽略煤柱前后两端的边缘效应，如图3所示。
则刀柱煤柱所能承受的极限载荷为：
γ为上覆岩层的平均容重，MN/m3;H为开采深度，m；M为开采厚度，m；a为刀柱煤柱的宽度，m；L为刀柱煤柱的长度（工作面长度180m），m。
将相关数据代入式（4）中，得到刀柱煤柱所能承受的极限载荷σs为
2.2 煤柱实际承受的载荷σp
在计算煤柱采空区分担的载荷时，A.H.威尔逊采用了与金（king，1970）一致的结论，即采空区垂直应力与距离煤壁的距离成正比，当该距离达到0.3H时，采空区垂直应力恢复到原始载荷γH，如图4
为了保证地面不出现波浪下沉盆地，通常取采宽b≤H/3≈0.3H，同时，要求煤柱存在核区，即煤柱的宽度a>2Y=0.00984MH。
因此，在计算煤柱实际承受的载荷时，按图4所示的情况计算。
考虑煤柱两侧的边缘效应，由三角形相似可知Z=（1-b/0.6H）γH，因此，煤柱实际承受的载荷为：
a—煤柱的宽度，m；
b—煤柱间采空区的宽度，m；。