断层影响下条带煤柱的留设与稳定性分析

1、断层影响下条带煤柱的留设与稳定性分析邢延团1, 王明立2, 张刚艳2(1 淄博矿业集团许厂煤矿, 山东济宁272173; 2 天地科技股份有限公司开采设计事业部, 北京100013摘 要 针对淄矿集团许厂煤矿某采区的实际条件, 为确保建筑物下条带开采的成功, 提出了断层影响下条带煤柱的留设方法, 并对煤柱的稳定性进行了数值分析。关键词 断层; 条带煤柱; 稳定性中图分类号TD822 3文献标识码A文章编号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作者简介邢延团(1965-, 男, 山东淄博人, 工程师, 副总工程师。1 概述在我国建筑物下采煤实践中, 应用最多的是利用条带煤柱控制上覆岩层移动和地表沉陷, 保护地表建筑物不受较大采动损害。因此, 条带煤柱的稳定性对于实现建筑物下压煤的成功开采具有至关重要作用。根据极限强度理论和塑性区破坏理论, 在正常的开采条件下, 条带煤柱稳定性的影响因素主要有开采深度、采出条带的宽度、煤层的采高等因素。但是, 在一些异常的地质条件下, 如断层发育等, 煤柱的稳定性会受到一定影响, 条带煤柱尺寸的计算应考虑断层因素

5、。淄矿集团许厂煤矿某采区为建筑物下压煤开采, 地表建筑物为2层民居。在采区中部发育一条较大的小屯西断层。小屯西断层为许厂井田孙氏店支2断层的伴生断层, 在许厂矿井内延展长度为5k m, 走向近南北, 西倾, 东升西降正断层, 勘探控制倾角80 , 落差0160m 。根据综合资料分析, 在建筑物下开采区域小屯西断层的倾角为80 , 断层落差为50m 。断层与建筑物的平面位置关系如图1所示。在有较大落差断层发育的条件下, 煤柱的稳定图1 建筑物下压煤开采断层位置性和非断层条件下煤柱的稳定性有很大的差别。为了确定较大断层存在条件下条带煤柱尺寸, 分析有断层发育情况下条带煤柱的稳定性, 本文主要从理论

6、分析和数值模拟两个方面进行研究。2 断层影响下条带煤柱尺寸计算为了保护条带开采工作面的安全, 需要在断层两侧分别留设一定宽度的保护煤柱1, 断层两侧保护煤柱的宽度分别与相邻条采工作面的宽度有关, 两保护煤柱分别具有不同的埋藏深度, 如图2所示。实际上, 可以认为小屯西断层将1个条带煤柱分解成为了2个条带煤柱, 以下称这2个煤柱分别为A 1煤柱(宽度为a 1 和A 2煤柱(宽度为a 2, 2煤柱各自承担不同的上覆岩层重量。第15卷第2期(总第93期2010年4月煤 矿 开 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 图2 受断层影响条带煤柱尺寸受条采面1开采影响, A 1煤柱所承受的实际载荷变为Sp 1=12H 1a 1+b 122H 1-b 10. (1受条采面2开采影响, A 2煤柱所承受的实际载荷变为Sp 2=2H 2a 2+b 222H 2-b 20. (2A 1煤柱所能承受的极限载荷变为p 1=4 H 1a 1-4. 92MH 1! 10-(3 A 2煤柱所能承受的极限载荷变为p 2=4 H 2a 2-4. 92MH 2! 10-(4根据煤柱稳定性的极限平衡理论, 条带煤柱的安全系数为F =pS p(5 要保持煤柱具有长期稳定性, 要求安全系数F 最小为1 5, 则A 1, A

8、 2煤柱的最小尺寸分别为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则条带煤柱保持稳定时最小宽度应为a m in =a 1m in +a 2m in +d(8式中d =D /tan , 其中D 为断层的落差, 50m ,为断层的倾角, 80 , 则d =8 8(m 。根据本区域地质采矿条件, 煤层开采厚度M =3. 5m , 采深H 1=480m , 采深H 2=530m 。根据概率积分法分析2, 在满足地表受护建筑物采动损坏等级为I 级时条采

9、面1的最大开采宽度为b 1=50m , 条采面2的最大开采宽度为b 2=60m , 则根据式(6, (7, A 1, A 2煤柱的最小尺寸分别为a 1m in =20. 7m , a 2m in =23. 8m 。根据式(8, 在断层影响下条带煤柱最小宽度应为a m in =53. 3m 。考虑到本区域的条件, 在实际开采中留设条带煤柱宽度为60m 。3 煤柱稳定性的数值模拟分析为分析断层存在对条带煤柱周围应力分布和破坏区分布的影响, 下面利用FL AC 程序进行数值模拟分析。许厂煤矿煤层倾角较小, 属于近水平煤层, 因此, 在实际数值模拟计算时, 按水平煤层考虑。根据许厂煤矿430采区南翼工

10、作面的综合地质柱状并做必要的简化, 模型中取各岩层自上往下依次为松散层、中砂岩、细砂岩、煤层、粉砂岩, 共5层。各岩层的物理力学参数如表1所示。破坏判据准则选用莫尔库仑强度准则。模型在X 方向上取800m , 在Y 方向上取600m , 共划分为205!150=30750个单元。为保证计算精度, 按研究需要对煤层相邻区域局部加密单元。表1 数值模拟计算参数名称弹性模量/M Pa 泊松比黏聚力/M Pa 密度/(kg m -3 内摩擦角/( 抗拉强度/MPa 松散层100 400 22140270 03中砂岩2200 321 22573420 5细砂岩3100 301 42598480 7煤层1

11、900 321 11420280 1粉砂岩2700 281 22656350 4图3 应力分布根据数值模拟结果, 图3和图4分别为断层存在条件下条带开采上覆岩层应力分布图和岩层破坏区分布图。从应力分布图中可知, 受断层影响, 断层下盘条带煤柱受到较大压应力集中影响, 而在上(下转72页支架设计要求:支架工作阻力4000kN; 高度14003100mm; 支架摆动量60mm 。通过人机界面输入相应支架参数(H =3100mm; h =1400mm; A =400700mm ; B =200400mm; C =200mm; ! =7580 ; =5270 ; D =60mm , 得到以下四连杆机构

12、在支架最高位置时的优化参数:坐标原点至底座后连杆铰点水平投影距离A =560 46mm; 底座后连杆铰点高度B =245 71mm; 后连杆水平夹角! =79 6 ; 掩护梁背角=62 4 ; 前连杆与底座铰接点X 坐标Kx =38 24mm ; 前连杆与底座铰接点Y 坐标K y =681 62mm; 后连杆长度r =1211 22mm ; 前连杆长度r 1=1214 34mm; 掩护梁上前、后连杆铰点距离r 2=360 29mm; 支架掩护梁长度r 3=1658 75mm; 支架最低位置时掩护梁背角1=10 13 。以上得到的四连杆结构尺寸满足设计要求。同时对顶梁与掩护梁铰接点运动轨迹进行拟

13、合, 得到图4的拟合曲线, 横坐标为偏摆量, 纵坐标为支架工作高度。从图4可以看出, 顶梁与掩护梁铰接点的运动轨迹为双纽线, 偏摆量为60mm 。2 结论 该系统能根据支架设计要求快速优化支架四连图4 双扭线轨迹曲线杆机构, 得到四连杆机构各构件的结构尺寸和铰接点位置; 设计出的四连杆机构满足双扭线轨迹曲线偏摆量, 并可以降低支架连杆重量。此系统缩短了设计周期, 提高了设计精度, 为液压支架四连杆机构的设计提供了一个新的方法。参考文献1王国法, 等 高效综合机械化采煤成套装备技术M 徐州:中国矿业大学出版社, 20082张志勇, 徐彦琴 M ATLAB 教程-基于6 x 版本M 北京:北京航空

14、航天大学出版社, 2001责任编辑:张银亮(上接28页 图4 破坏区分布盘相关位置的压应力集中得到明显释放, 应力分布比较均衡, 有利于保持煤柱的稳定性。从破坏区分布图中可知, 受断层煤柱控制, 断层上盘岩层破坏范围较小, 未达到断层位置。而断层下盘岩层存在一定范围的破坏带, 岩层破坏以压剪破坏为主, 断层下盘煤柱的破坏范围也未达到断层位置。从模拟结果看, 说明上覆岩层和条带煤柱是稳定的, 断层条带煤柱的留设是合理的。4 结论通过分析可以得出如下结论:(1 在断层存在的条件下, 条带煤柱尺寸应在断层两侧分别计算, 确保条带煤柱的稳定性。(2 通过数值模拟分析, 断层的存在使条带煤柱的受力状况发生改变,