斷層影響下條帶煤柱的留設與穩(wěn)定性分析

1、斷層影響下條帶煤柱的留設與穩(wěn)定性分析邢延團1, 王明立2, 張剛艷2(1 淄博礦業(yè)集團許廠煤礦, 山東濟寧272173; 2 天地科技股份有限公司開采設計事業(yè)部, 北京100013摘 要 針對淄礦集團許廠煤礦某采區(qū)的實際條件, 為確保建筑物下條帶開采的成功, 提出了斷層影響下條帶煤柱的留設方法, 并對煤柱的穩(wěn)定性進行了數(shù)值分析。關鍵詞 斷層; 條帶煤柱; 穩(wěn)定性中圖分類號TD822 3文獻標識碼A文章編號1006 6225(2010 02 0027 02Design and Stability Analysis of Stri p P illar I nfluenced by FaultX I

2、 N G Y an tuan 1, WANG M i n g li 2, Z HANG Gang yan2(1 Xu chang C olliery , Z i bo M i n i ng Group, J i n i ng 272173, C h i na ;2 C oalM i n i ng &Desi gn i ng Dep art m en t , T iand iS ci en ce&T echnology Co . , Ltd , B eiji ng 100013, Ch i naAbstrac t :F or successf u lly m i n i ng c

3、oal under bu ildi ng , this paper put forward a desi gn m ethod fo r str i p coa l p ill a r i nfl uenced by fault on the basis o f actual conditions o fX uchang Co lliery , Z ibo M i n i ng G roup . Num erical si m ulati on w as app lied to ana l y zi ng p illar stab ili ty .K ey word s :fault ; st

4、r i p coa l pillar ; stab ility收稿日期2009-12-03作者簡介邢延團(1965-, 男, 山東淄博人, 工程師, 副總工程師。1 概述在我國建筑物下采煤實踐中, 應用最多的是利用條帶煤柱控制上覆巖層移動和地表沉陷, 保護地表建筑物不受較大采動損害。因此, 條帶煤柱的穩(wěn)定性對于實現(xiàn)建筑物下壓煤的成功開采具有至關重要作用。根據(jù)極限強度理論和塑性區(qū)破壞理論, 在正常的開采條件下, 條帶煤柱穩(wěn)定性的影響因素主要有開采深度、采出條帶的寬度、煤層的采高等因素。但是, 在一些異常的地質(zhì)條件下, 如斷層發(fā)育等, 煤柱的穩(wěn)定性會受到一定影響, 條帶煤柱尺寸的計算應考慮斷層因素

5、。淄礦集團許廠煤礦某采區(qū)為建筑物下壓煤開采, 地表建筑物為2層民居。在采區(qū)中部發(fā)育一條較大的小屯西斷層。小屯西斷層為許廠井田孫氏店支2斷層的伴生斷層, 在許廠礦井內(nèi)延展長度為5k m, 走向近南北, 西傾, 東升西降正斷層, 勘探控制傾角80 , 落差0160m 。根據(jù)綜合資料分析, 在建筑物下開采區(qū)域小屯西斷層的傾角為80 , 斷層落差為50m 。斷層與建筑物的平面位置關系如圖1所示。在有較大落差斷層發(fā)育的條件下, 煤柱的穩(wěn)定圖1 建筑物下壓煤開采斷層位置性和非斷層條件下煤柱的穩(wěn)定性有很大的差別。為了確定較大斷層存在條件下條帶煤柱尺寸, 分析有斷層發(fā)育情況下條帶煤柱的穩(wěn)定性, 本文主要從理論

6、分析和數(shù)值模擬兩個方面進行研究。2 斷層影響下條帶煤柱尺寸計算為了保護條帶開采工作面的安全, 需要在斷層兩側分別留設一定寬度的保護煤柱1, 斷層兩側保護煤柱的寬度分別與相鄰條采工作面的寬度有關, 兩保護煤柱分別具有不同的埋藏深度, 如圖2所示。實際上, 可以認為小屯西斷層將1個條帶煤柱分解成為了2個條帶煤柱, 以下稱這2個煤柱分別為A 1煤柱(寬度為a 1 和A 2煤柱(寬度為a 2, 2煤柱各自承擔不同的上覆巖層重量。第15卷第2期(總第93期2010年4月煤 礦 開 采Coa lm i n i ng T echno l ogy V o1 15N o 2(Ser i es N o 93A p

7、ril 2010 圖2 受斷層影響條帶煤柱尺寸受條采面1開采影響, A 1煤柱所承受的實際載荷變?yōu)镾p 1=12H 1a 1+b 122H 1-b 10. (1受條采面2開采影響, A 2煤柱所承受的實際載荷變?yōu)镾p 2=2H 2a 2+b 222H 2-b 20. (2A 1煤柱所能承受的極限載荷變?yōu)閜 1=4 H 1a 1-4. 92MH 1! 10-(3 A 2煤柱所能承受的極限載荷變?yōu)閜 2=4 H 2a 2-4. 92MH 2! 10-(4根據(jù)煤柱穩(wěn)定性的極限平衡理論, 條帶煤柱的安全系數(shù)為F =pS p(5 要保持煤柱具有長期穩(wěn)定性, 要求安全系數(shù)F 最小為1 5, 則A 1, A

8、 2煤柱的最小尺寸分別為a 1m in=b 1H 1F -b 21F +0 0394MH 218H 1-F H 1(6a 2m in =b 2H 2F -b 221 2F +0 0394MH 218H 2-F H 2(7則條帶煤柱保持穩(wěn)定時最小寬度應為a m in =a 1m in +a 2m in +d(8式中d =D /tan , 其中D 為斷層的落差, 50m ,為斷層的傾角, 80 , 則d =8 8(m 。根據(jù)本區(qū)域地質(zhì)采礦條件, 煤層開采厚度M =3. 5m , 采深H 1=480m , 采深H 2=530m 。根據(jù)概率積分法分析2, 在滿足地表受護建筑物采動損壞等級為I 級時條采

9、面1的最大開采寬度為b 1=50m , 條采面2的最大開采寬度為b 2=60m , 則根據(jù)式(6, (7, A 1, A 2煤柱的最小尺寸分別為a 1m in =20. 7m , a 2m in =23. 8m 。根據(jù)式(8, 在斷層影響下條帶煤柱最小寬度應為a m in =53. 3m ?？紤]到本區(qū)域的條件, 在實際開采中留設條帶煤柱寬度為60m 。3 煤柱穩(wěn)定性的數(shù)值模擬分析為分析斷層存在對條帶煤柱周圍應力分布和破壞區(qū)分布的影響, 下面利用FL AC 程序進行數(shù)值模擬分析。許廠煤礦煤層傾角較小, 屬于近水平煤層, 因此, 在實際數(shù)值模擬計算時, 按水平煤層考慮。根據(jù)許廠煤礦430采區(qū)南翼工

10、作面的綜合地質(zhì)柱狀并做必要的簡化, 模型中取各巖層自上往下依次為松散層、中砂巖、細砂巖、煤層、粉砂巖, 共5層。各巖層的物理力學參數(shù)如表1所示。破壞判據(jù)準則選用莫爾庫侖強度準則。模型在X 方向上取800m , 在Y 方向上取600m , 共劃分為205!150=30750個單元。為保證計算精度, 按研究需要對煤層相鄰區(qū)域局部加密單元。表1 數(shù)值模擬計算參數(shù)名稱彈性模量/M Pa 泊松比黏聚力/M Pa 密度/(kg m -3 內(nèi)摩擦角/( 抗拉強度/MPa 松散層100 400 22140270 03中砂巖2200 321 22573420 5細砂巖3100 301 42598480 7煤層1

11、900 321 11420280 1粉砂巖2700 281 22656350 4圖3 應力分布根據(jù)數(shù)值模擬結果, 圖3和圖4分別為斷層存在條件下條帶開采上覆巖層應力分布圖和巖層破壞區(qū)分布圖。從應力分布圖中可知, 受斷層影響, 斷層下盤條帶煤柱受到較大壓應力集中影響, 而在上(下轉(zhuǎn)72頁支架設計要求:支架工作阻力4000kN; 高度14003100mm; 支架擺動量60mm 。通過人機界面輸入相應支架參數(shù)(H =3100mm; h =1400mm; A =400700mm ; B =200400mm; C =200mm; ! =7580 ; =5270 ; D =60mm , 得到以下四連桿機構

12、在支架最高位置時的優(yōu)化參數(shù):坐標原點至底座后連桿鉸點水平投影距離A =560 46mm; 底座后連桿鉸點高度B =245 71mm; 后連桿水平夾角! =79 6 ; 掩護梁背角=62 4 ; 前連桿與底座鉸接點X 坐標Kx =38 24mm ; 前連桿與底座鉸接點Y 坐標K y =681 62mm; 后連桿長度r =1211 22mm ; 前連桿長度r 1=1214 34mm; 掩護梁上前、后連桿鉸點距離r 2=360 29mm; 支架掩護梁長度r 3=1658 75mm; 支架最低位置時掩護梁背角1=10 13 。以上得到的四連桿結構尺寸滿足設計要求。同時對頂梁與掩護梁鉸接點運動軌跡進行擬

13、合, 得到圖4的擬合曲線, 橫坐標為偏擺量, 縱坐標為支架工作高度。從圖4可以看出, 頂梁與掩護梁鉸接點的運動軌跡為雙紐線, 偏擺量為60mm 。2 結論 該系統(tǒng)能根據(jù)支架設計要求快速優(yōu)化支架四連圖4 雙扭線軌跡曲線桿機構, 得到四連桿機構各構件的結構尺寸和鉸接點位置; 設計出的四連桿機構滿足雙扭線軌跡曲線偏擺量, 并可以降低支架連桿重量。此系統(tǒng)縮短了設計周期, 提高了設計精度, 為液壓支架四連桿機構的設計提供了一個新的方法。參考文獻1王國法, 等 高效綜合機械化采煤成套裝備技術M 徐州:中國礦業(yè)大學出版社, 20082張志勇, 徐彥琴 M ATLAB 教程-基于6 x 版本M 北京:北京航空

14、航天大學出版社, 2001責任編輯:張銀亮(上接28頁 圖4 破壞區(qū)分布盤相關位置的壓應力集中得到明顯釋放, 應力分布比較均衡, 有利于保持煤柱的穩(wěn)定性。從破壞區(qū)分布圖中可知, 受斷層煤柱控制, 斷層上盤巖層破壞范圍較小, 未達到斷層位置。而斷層下盤巖層存在一定范圍的破壞帶, 巖層破壞以壓剪破壞為主, 斷層下盤煤柱的破壞范圍也未達到斷層位置。從模擬結果看, 說明上覆巖層和條帶煤柱是穩(wěn)定的, 斷層條帶煤柱的留設是合理的。4 結論通過分析可以得出如下結論:(1 在斷層存在的條件下, 條帶煤柱尺寸應在斷層兩側分別計算, 確保條帶煤柱的穩(wěn)定性。(2 通過數(shù)值模擬分析, 斷層的存在使條帶煤柱的受力狀況發(fā)生改變,