豫北鹤园某矿区煤场结构稳定性分析

-精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 1 豫北鹤园某矿区煤场结构稳定性分 析 摘 要：煤矿矿区的安全和地下 支撑的结构有很大关系，为了最大程度 的保障采矿人员的人身安全和设备安全， 该文通过数值模拟、优化模拟、理论计 算等方法，对简化采矿作业面结构、矿 顶结构分析、矿顶支柱参数优化等方面 进行了深入的探讨，得到了与实际误差 极小的矿区结构方案。为了确保深部矿 岩安全高效地开采，有必要针对采场的 结构参数与稳定性进行科学合理地分析 研究。 中国论文网 /8/view-12932661.htm 关键词：煤矿 数值模拟 优化 分析 参数 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 2 中图分类号：TU75 文献标识码： A 文章编号：1672-3791（2017） 04（a）-0203-03 Certain North of HeNan Mining Area Coal Structure Stability Analysis Abstract：Coal mine safety and underground support structure has a great relationship， to the greatest degree guarantee mining personnel and equipment safety， through the numerical simulation， optimization simulation and theoretical calculation method， to simplify the mining work surface structure， mine roof structure analysis， mine roof pillar parameter optimization were discussed， and the actual error minimum mining structure scheme. In order to ensure the safe and efficient mining of deep ore， it is necessary to analyze and study the structural parameters and stability of stope. Key Words：Coal -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 3 mine；Numerical simulation；Optimizing；Analysis；Para meter V 产资源始终是人类发展的基 石，不管是作为战略物资的储备还是为 了满足国计民生的各项需求，人们对于 有限的资源的争夺已经到了白热化的地 步，如何在采矿过程中保证操作人员及 设备的安全成为了我们研究的课题方向， 以下我们就来探讨一下煤矿采场结构的 安全稳定性。为了确保深部矿岩安全高 效地开采，有必要针对采场的结构参数 与稳定性进行科学合理地分析研究。 1 矿采区顶面结构分析 在煤矿开采过程中，需要对已采 区进行固顶处理，一般情况下，我们用 加固顶板的方式进行顶面强化，顶面下 部采用支柱支撑，由于已采区顶面的压 力和顶板自身的重力，迫使顶板产生向 下的运动趋势，并因此产生弯矩作用， 另外，在支柱与顶面接触的支撑区域还 存在较大的集中应力。合理的确定支柱 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 4 的截面尺寸和支柱间距对于优化支柱参 数有重大意义，可以极大的降低支柱对 于顶板的压应力和剪切应力。 我们用简化的数学模型来近似的 代替采空区的结构，如图 1 所示。主要 参数有支柱的截面积、支柱的横向和纵 向间距。在布置支柱时，尽量采用均匀 布置的方式，使得顶板各处的受力趋向 等值。在数学模型中，由于支柱的截面 积相对于支柱间距要小很多，所以在力 分析处理时，把支柱对顶板的力视为一 点，则可得：支柱与顶板处的接触点挠 度为零，其余各处的挠度不为零。挠度 计算公式为：，式中，为顶板挠度，为 顶板的泊松比，E 为顶板的弹性模量， h 为顶板的厚度（m） ，此模型的挠度可 表示为：，当取的特征点接近两支柱中 点时，特解和齐次解应满足边界条件： 特解：， 齐次解： = 求解得到、分别为： -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 5 ， 这里， 得到： 由上面最后一个边界条件得到： 由于把支柱与顶板的接触面看作 一个点，用上述公式将得到小误差的顶 板挠度和来自于支柱的支反力，而在支 柱与顶板的接触点上，由于前提假设的 存在，支反力将无穷大。 经过计算，在表 1 中，列出了一 些特殊点上的弯矩数值。 表 1 中得到的数值是在一定条件 下得到的，根据前提假设，理论计算值 和顶板的实际受力将非常接近，为施工 提供了有效参考。 2 支柱失衡分析 当矿采区处于水平或者倾斜状态 时，每个支柱所要承担的载荷 F 如表 2 所示，L 为矿脉水平长度，H 为矿脉采 空区顶板以上的高度。F 为每个支柱所 承受的挠度 由此得出，矿脉纵深越大，矿脉 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 6 采空区上方的顶层质量就越大，支柱承 受的载荷就越趋于平均值，反之，支柱 就承担更大的载荷。 支柱的临界失衡条件可用公式表 示，n 为支柱的安全系数，为支柱的强 度，为支柱的内部应力，n 大于 1 时， 支柱稳定，n 小于 1 时，支柱失衡。 在进行支柱参数优化时，应该把 矿藏土质的非均匀密度作为重要的因素 考虑，这种因素会导致相同尺寸的支柱 受力不均，这就导致当顶板产生较大的 弯矩或者向下的位移时，会有部分支柱 先达到许用的最大应力而提前压溃。当 两个尺寸一样的支柱合并成一个较大支 柱时，较大支柱所产生的最大应力会远 远大于两个小支柱的许用应力之和，因 此，为提高支柱稳定性和扩大回采率， 应适当增加较大支柱的数量。 3 支柱受水平应力的因素分析 采空区的结构可以用图 2 的数学 模型表示，从地表到采空区顶板之间的 自重为垂直载荷，可表示为：，水平应 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 7 力为：。 考虑到矿脉开采过程中产生的震 动影响，顶板的受力情况也随之变化， 所有支柱的垂直载荷就等于顶板以上所 有部分的重量，则每条支柱的均载荷为， 根据力学定律，顶板受来自支柱的应力 为： 其中，a 为支柱截面的长度， l 为 两支柱之间的距离。可见，在支柱顶面 的受力非常不均匀，我们用双曲线型应 力函数来表示： 其中， ，n 是整数，是常数。 求得的支柱顶面各应力为： 其中， 。 两端固定的简支梁，其最大弯矩 发生在中间位置，将中间位置的带入上 式得到水平应力为： 从上式中可以得到，当时，水平 应力最大，其最大值为 结合上述公式代入可得到最大水 平应力为： 其中， -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 8 当支柱长度等于支柱间距时，也 就是矿脉处于未采状态时， ，等于原始 矿层应力，验证了推倒与实际的一致性， 当时， 式中的 所以。 从以上推导得出结论：顶板的水 平应力会随着的增大而减小，且当时， 水平应力会变为正值成为垂直应力，为 支撑顶板提供了