区段煤柱稳定性分析

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-+=。

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。