条带开采应力关系分析.pdf

系 一 歹 条 带 开 采 应 力 关 系 分 析 陕西省煤炭科学研究所 王云虎张少春 踩 岔 季 ， 己 移 ≥ 文 稿要对条带开采的采宽与工作面矿压之 问及柱宽与牒柱应力之间关系进行 了探讨 ，提 出选 择台 理采 留 比的新 思路 。 关蕾饵周期来压步距媒柱应力 应力迭加 前 官 矿山压力是岩体产生移动和 变 形 的 根 据 f ，在以往的岩层和地表移动中，通常只着 重于移动和变形规律研 究，很 少与矿 山压 力 结奋起来进行。为了揭示岩层与地表移动的 力学本质，在蒲白矿务局马村矿 条 带 开 采 以下简称 条采” 研究中，在地表 建 立 网状观 溯站进行观钡I 的同时 ，还在井 下对条 采 的矿 压与煤柱应 力进行观测 ，从观 测资料 分析中 ，发现 条采 的采宽与工作 面 矿 压 之 间，媒桂宽与媒柱应 力之 间有着极为密切的 关 系 ，结合矿 山压力理论 ，对 条采 覆岩和地 表下沉机理给以合理解释，从而为合理选择 采 留宽鹰提 出新 的思 路 1 研究区概 况 条采研究区在马矿过渡采区，开采上石 炭统太原群5 煤层，覆岩从下向上依次 为下 二 迭统 山西 组，下石盒子组 ，第 四 系 黄 土 层J岩层以砂 岩，砂质页 岩为主 。研 究分 两 个阶段进行J第一阶段为采区上山段，第二 阶 段为采区 下山段。工作 面布置见 图 l ，条 采 中主 要地 质采 矿参数见表 l 。 图 l 条采平面与地表观测 网布 置示意图 同样可求得煤 柱一侧破坏 区的长度 ， ㈣ 当 一≤； 时 ， 即a ≥ ， 对 ， 煤柱将像持稳定。 同样可以得出保持充填条带媒柱稳定， 煤柱尺寸及 开采 宽魔所满 足的关系式，即 n c c ，口 ； [口 p f 1 一 l 。 H 1 9 ＼ 打 ， J 责任编辑徐掉亚 维普资讯 袭 1 地质采矿技术参数袭 2 矿 压现 时 2 ． 1 观 测资料整理 2 观 测情况与数 据整理条带工作面 顶板管理采用 冒落法 ，依据 工作面支 柱载荷 期来压 步距 、增 载系数，列于袭2 。 2 条 采与长壁开采异同点比较条采 矿压观 测求 得的 技术 参数与采 矿地 质条 件相 同的长壁工作面 马矿 1 2 5 0 3面相 比，其 量和活桂下缩量综合分析求得老顶初次、周 异同点说明如表3 。 表 2 老顶韧提和周期来压步麾爰增最系张衰 2 ． 2 矿压观 测分 析 2 ． 2 ． 1 老顶 周期来压步距 大小 主要 决 定 于 工作面的 长短 周期来压步距大小受多种因素影响，在 地质条件基本相同时主要决定于 工 作 面 长 短，研究结果证明长壁工作面的老顶岩粱 与条采老顶板块破断跨距之间关系近似表达 为{ L I - 告} ㈦ 式 中 条采面 老顶 周期来压步距 } 长壁面 老顶周 期来压步距 } 工 作面长。 若 以 为 白变量 ， - 为 因变量绘制成 曲 线圈 ，如图2 。 图 2 采宽与周期来压步距关累 曲线图 由 图 2分析 可知 1 当 三 1 O m，则 L- 3 5 ． 5 m，随着采面缩短 ，周 期来压步 距 急剧 增大 ，当工作面 长度小于 长壁开采周 期 来压 步距 时 ，采面实际相 当于宽度较 大的巷 道 ，工作面 不会有周 期来压 | 2 当 1 O m1 0 ． 5 m，随 着 采 面长度增大，周期来压步距逐渐减少 j 3 维普资讯 上4 0 m，卿厶9 ． 7 m。随着工作面长度增 大，周期来压步距缓慢减小。当工作面长度 增大至某一数值，周期来压步距将近似为常 数。从表 3 实测隶得的数据与上述分析完垒 一 致 。 2 ． 2 ． 2条采 顶板 冒裂形式的划分 从 老顶 周期来压步距 的大小与工作面 长 度 关系分析 中明显看 出，工作 面是 否有老顶 周期来压 及其来 压步距 的大 小，决定 了采空 区覆岩的移动和破坏形式 ，现初步将其归纳 为四种 情况 t I 当 ￡韧￡骨6 4 O m时 ，老顶周 期 来压断 面线应平 行于工作 面，矿压显现规 律与长壁开采基本相同，在采空区上方形成 冒、裂 、弯三带 。与 长壁工作 面不同点，其 一 ，冒、裂带呈拱形，其高度小 于 长 壁 开 采，其，周期来压步距大于长壁开采。 2 当三初6 ￡初三周 肘 ，老顶周 期来压断面线一般应位于采空区中间且垂直 于条 采工 作面 ，每 次来压相 当于老顶 初次 来 压，在采空 区上方形成冒、裂 、弯三带，一 般情况下 ，弯曲带能够发展到 地表引起地表 微量 下沉。 由于 条采面是遥步 推进，直接 顶 冒落的充填程度随距工作 面距 离 增 大 而 增 大 因此，老顶来压强度在靠工作面一端要 大些，这对条 采面 的维 护是 不利 的。 3 当L Rb L 时，只有直接 顶 冒 落， 在一般情况下老顶不会来压。因此， 在采 空 区上方只有 冒落 带，在 冒落拱圈周 围有裂 隙或高度较小的裂隙带。一般情况下没有弯 曲带，地表不下沉或下沉量极小o 4 当 b l b 】 、 ／＼ 二 ‘、 ＼ ～ 图 4 沿工作面推进 方向煤柱应力变化 曲线 t 开采6 0 3 工作面 h 开采5 0 5 工作面 为 了更 直观垒面的反映应 力观测线 在回 采过程中煤柱应力分布情况，又将观铡数据 绘制成煤柱应力等值线展开图 图5 a 、b 。 3 2 对煤柱应 力分 析 3 ． 2 ． 1 回采6 O 3 工作面的应 力分析 在回采 5 0 ．5工作面对尚未形 成煤桂 ，采 27 维普资讯 ． 图 5 开采应力观测线平面展开等值 线 开采5 0 3 T作面，b 开采5 o 5 1作面 空区一侧煤体的应力分布有以下特点- 以测 定的麻岩垂直应力值5 作为应力影响边界 q 在5 0 3 面推进过 程中，各应 力 点的超 前距随着进人煤俸的深度增大而减小，其变 化范 围为6 3 ． 6 1 ． 5 mJ各应力点滞 后 距 随 着进人煤 体深 度增大而 增 大 ，其 变 化 范 围 为6 6 ． 0 7 4 ． 0 m。 2 煤 体内各 观测 点的最大应力值 均 滞 后于回采工作 面，滞后 距变化范 围 为 6 ． 4 1 2 ． 9 Ⅲ ， 其 中最 大应 力值位于煤体垂深5 ． 5 m， 滞后工 作面6 ． 4 m。 3 当工作面位置超过各应 力点 的 滞 后 距 ，条采 面的推进不再 对各应 力点的应力 产 生影响，这时观潮到的应力值是岩体内的残 余应力 ，其数 值基本上 是常数，称 之为应力 稳定 值。 4 靠近煤 体边缘 的应力 点 1 点 ，在 滞后距大于 3 1 m 以后，量铡到应力值均为负 数 ，此时 ，煤 体边 缘成为减压 区，上疆 岩层 的压应力已向煤体深部转移。 3 ． 2 ． 2 回采5 0 5 I作面的应力分析 5 0 5 工作面动采后，随着工作面向 前 推 进透渐形成牒柱，各应力点的应力分布有如 下特 点{ 1 从5 0 5 工作面并桑至结束，靠 近 5 0 3 工作 面一 便 f 煤 柱应 力基本保持 5 0 3面回采肘 的应力稳定值 不变，只是在靠近应 力观测线 前后有微小变化。 2 煤 柱在靠近5 0 5 面一懊 I ，在 5 0 5面 回 采过程中，应力变化规律与5 0 3 面一侧相似。 各 应力点超前距 变化范 围为 1 0 9 ． 0 1 8 ． 0 m， 比5 0 3 面开采肘大 得多，这 是因为在5 0 3 面开 采时煤 柱被松动使应力影响提前 ，故超前距 增 大，滞后 距为2 9 ． 0 3 l - 5 m，比 5 0 3面 开 采时小 得多。同样，这是因煤挂被松动使煤 柱提前趋于稳定，故滞后距减小。 3 各应力点 的最大应 力值 同样滞 后 于 5 0 5 工作面位置，滞后 距范 围为3 ． 6 一 l 8 ． 5 m。 4 靠近5 0 5 面一侧煤挂7 应力点 ，在滞 后 5 0 5 面2 7 m后 ，其应力观测值均 为 负 数 ， 说 明煤 柱边 缘已成减压 区。 将5 0 3 面和5 0 5 面开采时，煤柱应力特征 点应力值列人 表4 。 5 ． 5 媒桂应力区划分与媒桂稳定性分析 5 ． 5 ． 1 煤柱应力 区划分 以回采 5 0 5 I作面各观摸I 点最大应 力 值 和稳定值与麻岩垂直应力相迭加，络制成爆 柱 垂直 应力断面 图 图6 。 图中a b e d 为最大应力值曲线，A B C D为 稳 定值应力曲线。根据应 力稳定 值 或最大 值的大小将煤挂划分 为两个 区t 1 屈服 区 一 从煤柱边界至煤柱应力峰值。在屈服区 内包含小 于原 岩垂直应 力的衰减 区 ， 2 煤柱棱区 a o - 应力两峰值之间的煤柱。从圈6 看出，柱棱区中部应力值接近子垂直麻岩应 力，说明煤柱中部承受采空区疆岩的庄应力 很小。 3 ． 3 ． 2 煤柱稳定性分析 条采留设煤柱的要求 ；煤柱既要承 受足 够的采空区覆岩的压应力又保证煤柱有永久 的稳定性。从煤柱断面应力曲线闺 6 进一步 分析可看出闺 e 的蝶桂留设儡大。因此，可 维普资讯 寰 4 应力理测臻特征位置其位置一览寰 因故．0 5 面仅碾捌到擀后更3 1 m ．吝 应力点穗定值及其滞后距是近戗的． ． ．因0 3 面开采时瀑柱残余应力此较大．散突变应力显得大些． 图 6 煤柱断面应方曲线 以用缩小煤柱 的方法来确 定台理 的 煤 柱 宽 度。具体 做法 如下 t 以 5 0 3 面回采煤柱应力稳定值曲线和最 大应 力值曲线 代表 s O 5 面开采时最 大 应 力 值曲线为基础迭加接制出来的应力曲线， 非常按近 s 0 5面回采肘最大应力值曲线。因 此，采用应力迭加的方法来选择煤桂的合理 采宽是可行的。以马矿条栗为例，选择攥柱 宽度分别为2 3 m，2 1 m、1 9 m、1 7 m，1 5 m进 行迭加，迭加后绘 制成图7 。 由圈可知t当煤柱宽度缩小，煤柱中间 的压应力逐渐增大，也逐渐趋近于煤柱垂直 应力的极限值，煤柱逐渐趋于不稳定状态。 故可以取煤桂应力峰值和煤柱中点应力值的 一 图 7 不同拄宽应力曲线 比值 来衡量煤柱的稳定性。比值 与煤柱 安垒系数n 相比，其作用是一样 的，它 们 之 间的关系推导如下t 煤柱 不同 宽度迭加 的应 力曲线与 横坐 标 所构成的面积，即为煤柱不同宽度的实际承 受的最大载荷Pt ，煤柱不同宽度的极限载荷 为 ， 选用长煤柱计算公式 P2 4 r F 口一4 ． 9 2 村 日 1 0 2 式中1 “ a 原岩应力， t m～， a 煤柱 宽度 ，mJ 村 开采厚度，I n 1 日 开采 深度，m。 将计算结果列入表5 。 将表5 中a 、K、 值蹬成曲线，如图8 。 以图 8为依据 ，结 合条采的 成功 经验 ， 0 9 维普资讯 划定煤桂稳定程度的宽度 。 与k 、 之间的关 系如图8 所示，将图中数值列入表6 。 表 5 煤 拄不 同 宽度 压 力比K 和 安全 系数 n 计算 表 媒 柱宽， m 2 5 2 1 1 g 1 7 1 5 序 1 2 3 | 5 6 o - ⋯， k g⋯ 9 g 1 0 0 1 0 2 1 0 4 1 0 7 1 1 3 on l a ， k g - e m’ ‘ 1 8 2 5 3 7 5 5 8 0 l 1 0 k 5 ．5 0 4 ．O 0 2 ．7 6 1 ． 89 1 ．3 | 1 ．0 3 P 1 ／ t m 2 3 6 9 1 2 6 3 6 1 2 3 5 7 1 2 5 1 1 2 4 6 1 2 3 9 1 p 2 ／tm一 ’ |3 39 9 39 6 0 7 35 B l 4 32 0 21 2 8 22 9 24 43 6 D 1 ．8 3 1． 68 1 ．5 2 1 ．3 6 1． 20 1 ．0 4 a／m 图 8 柱宽a 和 ． 曲线 袭 6 搏 柱稳 定 程度 。 k n 关 系 袭 代号 1 2 3 | 5 薯 耋 稳 定 性 差较 稳 定稳 定 稳 定 性 强 嚣荽 琴lll jE 本刊 报道 3E蓬蔓芏jE芏 煤 炭开采新 技术研 讨及技术 交易会 暨情 报站年会， 于一九九 四年 十 月十 日在 四 川 都江堰市 召开 ，会 议代 表7 7 人。 会议第一项内容为学术报告，共有 l 1 人 做 了1 6 篇大会发言。 会议第二项内容为新产品 、新技术交流 与技术洽谈。会上介绍了气垛支架、组台锚 4结论 1 条带开 采依 据地质采矿条件不同 ， 有老顶周期来压， 也可能没有老顶周期 来压 I 有周期来压时，其来压步距必然大于同等地 质 条件 下的长壁开采。 2 条带开采采空老顶的断裂面方 向有 两种情况口 、当采宽较大时，断裂面 一 般 平行于工作面 j 6 、当采 宽较小时 ，断 裂 面 可能垂直于工作面 ，或者没 有明显的断 裂面 ol rJ 没 老顶周期 来压 。 3 在马矿过渡采区地质采矿条件下， 条采 一侧 煤体应 力超 前 距最 大 为 6 3 ． 6 m， 形 成煤桂 后应力超前距最大 值 为 1 0 9 ． 0 mf 条采一侧煤体应力滞后距展大值为 7 4 ． O m ， 形 成煤柱后应 力滞后距 最大值为3 l _ 5 m。 4 条采 煤柱 划分为屈服 区和柱核 区， 在屈服 区内包含着减压 区。采 空 区上覆岩层 的压应力主要 由柱核 医支撑 。 条采蝶桂应力比 具有与条采煤 柱 安垒系数 相同的作用。因此，在计算 和 选 择合理的枭留宽度时，也可用应 力比 来进 行验算。 责任 编辑邹 正立 杆支护 ，单 体液压支 柱的改进 ，轻型放顶煤 支架快速移架系统、煤层加固等。代表们就 高产 高教 工作面的现场经验 ，特别是综 采放 顶煤开采中的煤尘、瓦斯、防灭火、回收率 以及矿压显现规律等问题进行了热热讨论和 交流。 会议还 为代表 印发了 “ 煤 炭开采新技术 论文集 一册，约l 2 万字。 会 议于二十 E l 结束 。代 表们一致 认为， 此次 会议开得 十分 成功 。 维普资讯