柱式开采煤柱长期稳定性评价方法研究

发布时间：2020-05-13 02:50

【摘要】：柱式开采方法是我国开采“三下”压煤的重要方法,常用的柱式开采方法包括房式(房柱式)开采和条带开采。柱式开采中,煤柱是支撑上覆岩层、保障煤矿生产安全与控制地表沉陷的关键结构。目前的柱式开采采空区稳定性评价及煤柱设计理论中未充分考虑煤柱稳定性随时间逐渐降低这一事实,致使部分柱式采空区煤柱失稳,建构筑物损害。由于柱式采空区失稳具有长期性、突发性和剧烈性,已成为矿区的潜在威胁,因此,研究柱式采空区长期稳定性评价方法具有重要的理论和实用价值。本文针对现有柱式开采煤柱稳定性评价理论的不足,采用数值模拟、理论分析、相似材料模拟、工程实例分析相结合的方法,深入研究了地形和采空区尺寸对煤柱应力、煤柱剥离破坏对煤柱长期稳定性的影响,在此基础上,构建了柱式开采煤柱剥离模型及煤柱长期稳定性评价方法,为柱式开采煤柱长期稳定性评价及煤柱设计提供了理论方法。主要工作及成果如下:(1)针对目前采空区稳定性评价中未考虑地形对顶板、煤柱受力影响的问题,采用数值模拟、理论分析、相似材料模拟和工程实例分析相结合的方法,分析研究了单一山坡地形和山谷地形对采空区顶板应力、煤柱应力的影响,结果表明:山坡坡脚下方顶板中存在集中水平应力BAS(Bottom Abrupt Stress),当采深较浅时,BAS可能成为采空区顶板-煤柱-底板系统中的最大水平应力,其是柱式开采煤矿失稳的重要原因之一;分析了BAS的大小与山坡坡角、坡底处开采深度、山谷谷底宽度和山坡高差的关系,建立了BAS的计算公式,提出了山地地形条件下采区不同位置处煤柱应力计算方法和煤柱稳定性判别公式,为山地地形条件下煤柱设计和煤柱稳定性评价提供了理论依据。(2)针对目前煤柱设计理论中未考虑工作面尺寸效应,从而导致煤柱应力被高估的问题,基于数值模拟和理论分析方法,深入研究了柱式开采工作面尺寸对煤柱所受最大垂直应力的影响,提出了任意工作面尺寸条件下煤柱应力计算公式,为小工作面开采条件下柱式开采煤柱应力计算提供了理论依据。(3)针对煤柱渐进性剥离破坏的特点,通过理论分析建立了房式开采煤柱剥离模型,分析研究了最大剥离深度与煤柱高度、煤柱宽度、开采宽度、煤的碎胀系数和剥离煤块堆积体休止角的关系,构建了基于煤柱剥离模型的房式开采煤柱长期稳定性评价方法和煤柱设计方法,通过对中国、南非和印度的近500例煤柱的稳定性评价,证明了方法的可靠性,为房式煤柱长期稳定性评价和设计奠定了理论基础。(4)根据煤柱渐进性剥离破坏和条带开采的特点,建立了条带煤柱剥离模型,并结合Wilson两区约束理论给出了条带煤柱长期稳定性评价方法,完善了现有条带煤柱设计理论。(5)分析了房式开采中单一煤柱失稳对群柱稳定性的影响,研究表明,煤柱周围对角煤柱失稳对该煤柱的影响小于邻接煤柱失稳对其的影响;当煤柱的初始安全系数为2时,即使周围所有煤柱失稳,该煤柱也能保存稳定。
【图文】：

实测资料和工程实例分析相结合的方法进行研究。具体内容包括：（1）收集国内外柱式开采相关资料，总结柱式开采煤柱稳定性和煤柱设计方法及其不足，为柱式采空区长期稳定性评价方法提供理论基础。（2）数值模拟研究：利用数值模拟系统性地研究地形、采空区尺寸、岩层性质等多种因素对顶板-煤柱-底板系统中煤矿应力的影响。研究柱式开采条件下煤矿井下应力分布、变化规律，定量分析各影响因素与煤矿应力的关系。定性分析煤柱剥离产生的剥离堆积体对煤柱稳定性的影响。（3）理论分析研究：基于数值模拟研究结果，结合回归分析、矿山压力理论、岩体力学、岩石力学等理论和方法，建立不同开采技术条件下煤柱应力计算公式。基于现场煤柱调研资料和数值模拟研究，通过理论分析提出柱式开采煤柱剥离破坏模型，提出煤柱长期稳定性评价和煤柱设计方法。（4）相似材料模拟与工程案例分析：利用相似材料模拟与工程实例对比和分析对前述研究结果，验证结果有效性。并利用研究成果分析、解释柱式开采采空区失稳原因，提出并优化柱式开采煤柱长期稳定性评价和煤柱设计方法。具体研究路线及章节安排见图 1-1。

Pillar-Mining Mines2.1 概述（Introduction）目前我国的柱式开采方法主要包括房式开采和条带式开采，图2-1为房式开采和条带式开采示意图。房式开采通常适用于浅部开采，开采宽度和煤柱尺寸通常较小；而条带开采不仅适用于浅部开采，也同样适用于深部开采，条带煤柱的长度一般远大于其宽度，且通常开采宽度较大，为了控制地表开采沉陷，条带开采的开采宽度一般为开采深度的1/10~1/4。图 2-1 柱式开采示意图Figure 2-1 Scheme of pillar-mining mines在柱式开采中，煤柱承担了支撑上覆岩体的作用，是控制覆岩稳定性的重要结构之一，，煤柱稳定性评价是柱式开采煤柱设计及采空区稳定性评价的主要(a) 房式开采煤矿(b) 条带式煤柱开采煤矿
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TD823.5

【参考文献】

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本文编号：2661253