全采区与条采区隔离煤柱留设宽度研究＊

刘 贵 徐乃忠 邹友平

(天地科技股份有限公司开采设计事业部,北京市朝阳区,100013)

全采区与条采区隔离煤柱留设宽度研究＊

刘 贵 徐乃忠 邹友平

(天地科技股份有限公司开采设计事业部,北京市朝阳区,100013)

根据威尔逊(Wilson)煤柱载荷理论,分析了两侧采空区在不同宽度情况下煤柱所承受载荷的计算公式,并根据相同的推导原理,得出了全采区与条采区隔离煤柱所承受载荷的计算公式。根据煤柱安全系数的可靠取值,推导出全采区与条采区隔离煤柱最小留设宽度的计算公式,并通过实例分析,得出在进行条带开采设计时,要根据隔离煤柱留设宽度的计算公式进行单独设计,以保证隔离煤柱的稳定性。

条带开采 隔离煤柱 煤柱宽度 煤柱稳定性 计算

很多科研人员在进行条带开采设计时,对条带煤柱留设宽度计算得比较准确,而常常忽略全采区与条采区隔离煤柱宽度的计算研究,错误地认为隔离煤柱宽度等同于留设的条带煤柱宽度。在相同的地质条件下,从理论上讲,隔离煤柱最小宽度大于条带煤柱最小容许宽度,故当隔离煤柱取条带煤柱宽度,并当取值在容许范围内偏小时,容易造成隔离煤柱不能满足稳定性要求,导致其首先失稳,其所承受的载荷将转由相邻条带煤柱承担,当其相邻煤柱难以承担附加载荷时,这些煤柱亦将破坏,这一过程将迅速扩展到整个条采区煤柱,产生多米诺骨牌效应,致使条带开采失败,造成重大损失。本文将通过煤柱载荷理论对全采区与条采区隔离煤柱宽度进行计算分析。

1 煤柱载荷理论

正确估算煤柱所承受的载荷,是煤柱设计的关键步骤之一。对于如何计算煤柱所承受的载荷,国内外相继提出了一些假设和理论,包括压力拱理论、有效区域理论和威尔逊(Wilson)理论。

威尔逊(Wilson)两区约束理论建立在煤柱三向强度特性的基础上,克服了其它方法的缺陷,因而更加有用和可靠,得到较广泛应用,故本文将根据威尔逊(Wilson)理论对煤柱承受的载荷进行分析计算。

威尔逊(Wilson)(1970年)认为上覆岩层的重量并非完全由煤柱承担,冒落在采空区的岩石同样也承担一部分上覆岩层的重量。在计算采空区分担的载荷时,威尔逊(Wilson)采用了金(King,1970)的结论,采空区承担的载荷量与采空区内各点顶板闭合量有关,即采空区垂直应力和距煤壁的距离成正比,当该距离达到0.3 H(H为采深)时,采空区垂直应力恢复到原始载荷γH。根据这一理论得出煤柱承受载荷的计算公式,分两种情况进行叙述。

(1)煤柱两侧采空区宽度即采出条带宽度b小于0.6 H时。

条带开采时,为保证地面不出现波浪形下沉盆地,通常取采出条带宽度即留设煤柱两侧采空区宽度相等且b≤H/3,同时,要求煤柱存在核区,因此,在计算条带煤柱实际承受的荷载Ps时,按图1所示的情况计算,由三角形相似可知:

此种情况下煤柱实际承受的载荷Ps数值上等于阴影部分的面积:

式中:a——留设煤柱宽度,m;

γ——岩石容重,kN/m3。

图1 煤柱两侧采出条带宽度b小于0.6 H时煤柱载荷示意图

(2)煤柱两侧采空区宽度b1、b2均大于0.6 H时。

此种情况下,煤柱承受载荷示意图见图2,煤柱实际承受的载荷Ps数值上等于阴影部分梯形的面积:

图2 煤柱两侧采空区宽度b1、b2均大于0.6 H时煤柱载荷示意图

2 全采区与条采区隔离煤柱宽度的计算

根据威尔逊(Wilson)理论可知,煤柱两侧采空区宽度不同,煤柱所承受载荷的计算公式也不同。条带开采时,全采区与条采区的隔离煤柱两侧,一侧是条带开采采空区,其宽度即为采出条带宽度b小于0.6 H,一侧为全部开采的采空区,其宽度为采空区宽度b1大于0.6 H,则隔离煤柱的承受的载荷应是威尔逊(Wilson)理论两种情况的结合,其承受载荷示意图见图3。

图3 全采区与条采区隔离煤柱载荷示意图

此种情况下煤柱实际承受的载荷Ps数值上等于阴影部分的面积:

煤柱稳定性评价通常用煤柱安全系数K=Pj/Ps(Pj为煤柱的极限载荷)进行计算分析,根据Wilson理论,煤柱的极限载荷Pj可用下式进行计算:

式中:m——采厚,m。

采用全部跨落法管理顶板,按三向受力状态计算,安全系数K一般大于1.5即能满足煤柱的长期稳定性,即:

根据式(4)、(5)、(6)可推导出隔离煤柱最小留设宽度ag计算公式为:

而条带开采煤柱最小留设宽度at根据式(2)、(5)、(6),可得出其公式为:

3 实例分析

江苏徐州龙东煤矿,西一采区设计准备4个工作面(编号分别为7161、7162、7163和7164工作面)进行回采,而采区上方有2个村庄,通过分析研究,在划定村庄保护煤柱后,决定在村庄保护煤柱外,煤层全部回采,村庄保护煤柱内采取条带开采方法进行部分回采。煤层采厚5.2 m,各工作面平均采深分别为314 m、394 m、474 m和534 m,经优化分析后,推荐各工作面内条带开采区域采留宽尺寸见表1,采出率均为50%。

表1 西一采区各工作面条采区域推荐采留宽尺寸m

根据表1可知,各工作面条带开采区域设计留设煤柱宽度均大于根据式(8)计算的条采最小留宽,满足煤柱稳定性要求,但把条采留宽简单的作为全采区与条采区隔离煤柱宽度的话,则严重影响了煤柱的稳定,因为各工作面条带开采区域留设的煤柱宽度均小于根据式(7)计算的隔离煤柱最小宽度(见表1),不能满足煤柱稳定性要求。故进行条带开采设计时,不仅要进行条带开采留宽度的设计,还要进行隔离煤柱宽度的计算,以保证条带开采的成功,确保地面建筑物的安全使用。

4 结论

(1)根据威尔逊(Wilson)煤柱载荷理论分析了煤柱两侧采空区宽度不同时,煤柱承受载荷的计算公式,并得出了煤层全采区与条采区隔离煤柱宽度的计算公式。

(2)通过实例分析,在进行条带开采设计时,不仅要进行条带采留宽度的设计,还要进行全采区与条采区隔离煤柱宽度的计算。不能简单地把隔离煤柱宽度等同于留设条带宽度进行设计,这样很难满足煤柱稳定性要求,存在条带开采整体设计失败的危险。

[1] 刘贵,张华兴,徐乃忠.深部厚煤层条带开采煤柱的稳定性[J].煤炭学报,2008(10)

[2] 刘贵,韩邦华,邢峰等.条带开采煤柱塑性区宽度的数值模拟与计算[J].煤炭科学技术,2009(3)

[3] 吴立新,王金庄,郭增长.煤柱设计与监测基础[M].徐州:中国矿业大学出版社,2000

Astudy on width of isolating coal pillars left between all mining area and strip mining area in coal mines

Liu Gui,Xu Naizhong,Zou Youping

(Coal Mining Design Department,Tiandi Science&Technology Co Ltd,Chaoyang district,Beijing 100013,China)

According to Wilson’s theory about coal pillar loads,coal pillar load calculation formula of both sides of the mined-out areas in the case of different width is analyzed in this paper.Also based on the same principle,coal pillar load calculation formula for isolating pillars between all mining area and strip mining area is obtained.According to reliable values of coal pillar safety factors,calculation formula about minimum width of isolating pillars between all mining area and strip mining area are derived.And through case analysis,it becomes clear that w hen designing for strip mining,the design should be carried out separately on the basis of the calculation formula for the width of isolating coal pillar so as to ensure the stability of isolating coal pillars.

strip mining,isolating coal pillar,coal pillar loads,coal pillar stability,calculation

TD823.7

A

煤炭科学研究总院青年创新基金资助项目(2008QN60)。

刘贵(1980-),男,安徽蒙城人,硕士,工程师,2004年毕业于中国矿业大学采矿工程专业,2007年获煤炭科学研究总院采矿工程硕士学位,主要从事“三下”采煤及相关研究工作。在《煤炭学报》、《煤炭科学技术》等杂志发表论文10余篇。

(责任编辑 张毅玲)