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        厚煤層窄煤柱沿空掘巷中煤柱極限核區(qū)計(jì)算

        2011-09-07 08:55:42賈雙春王家臣朱建明馬中文
        中國(guó)礦業(yè) 2011年12期
        關(guān)鍵詞:黏性計(jì)算公式煤柱

        賈雙春,王家臣,朱建明,馬中文

        (1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) (北京)安全與資源學(xué)院,北京100083;2.北京航空航天大學(xué)交通學(xué)院,北京100191)

        我國(guó)長(zhǎng)壁工作面中開(kāi)采中,大多采用留設(shè)大寬度煤柱實(shí)現(xiàn)區(qū)段之間開(kāi)采;從而浪費(fèi)了寶貴的煤炭資源。目前在我國(guó)許多礦區(qū)如潞安礦區(qū)采用留設(shè)窄煤柱取代早期的大寬度煤柱,以減少煤炭資源的損失,為此,留窄煤柱沿空掘巷技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生[1-3]。因而窄煤柱寬度的合理確定成為留窄煤柱開(kāi)采成敗的關(guān)鍵。一般來(lái)說(shuō)煤柱穩(wěn)定主要取決于煤柱中是否存在極限區(qū)以及極限區(qū)的穩(wěn)定,因此煤柱極限區(qū)及其計(jì)算是此類(lèi)煤礦開(kāi)采面臨的基礎(chǔ)研究問(wèn)題。

        在煤礦開(kāi)采中,回采巷道一側(cè)的煤柱用于隔離采空區(qū)和維護(hù)巷道,同時(shí)煤柱的變形破壞規(guī)律對(duì)頂板巖層的控制有很大的影響[4]。因此,合理確定煤柱尺寸,不僅可以對(duì)頂板起到整體穩(wěn)定作用,同時(shí)對(duì)于提高煤炭資源采出率、改善巷道維護(hù)狀態(tài)具有重要的意義。我國(guó)在確定煤柱尺寸時(shí),一般依據(jù)傳統(tǒng)的方法,在煤柱中部留設(shè)2M (M為煤層厚度)范圍作為煤柱中部極限區(qū)寬度[5],也可以通過(guò)對(duì)煤柱強(qiáng)度的分析然后推導(dǎo)煤柱寬度公式[6-7]。同時(shí)也有利用礦山壓力規(guī)律留設(shè)各種煤柱的方法及經(jīng)驗(yàn)公式,對(duì)煤柱合理的尺寸進(jìn)行分析[8-9]。

        以上煤柱尺寸的確定方法在厚煤層中顯然已經(jīng)不適用,我國(guó)目前在厚煤層開(kāi)采的巷道布置,特別是區(qū)段煤柱尺寸的確定,沒(méi)有形成厚煤層下合理的區(qū)段煤柱尺寸計(jì)算公式,并且一直沿用中厚煤層的方法,使得許多礦井厚煤層開(kāi)采中區(qū)段煤柱留設(shè)過(guò)大,造成了煤炭資源的極大浪費(fèi)。因此建立厚煤層開(kāi)采下合理煤柱尺寸計(jì)算公式對(duì)于指導(dǎo)厚煤層區(qū)段煤柱留設(shè)具有十分重要意義[10]。

        分析中厚煤層在煤柱計(jì)算公式推導(dǎo)中,其破壞準(zhǔn)則一般采用Mohr-Coulomb破壞準(zhǔn)則。由于厚煤層開(kāi)采中巷道所處的特殊煤層環(huán)境中,與中厚煤層巷道存在很大區(qū)別,因此厚煤層開(kāi)采中巷道煤柱的圍巖穩(wěn)定分析時(shí),其破壞準(zhǔn)則必須適應(yīng)厚煤層巷道煤柱圍巖的特點(diǎn)。巖土工程中常用的SMP準(zhǔn)則由于考慮到煤體材料的應(yīng)變軟化特性,并且考慮中主應(yīng)力的影響,比較符合厚煤層巷道煤柱圍巖的特征。

        Matsuoka等基于空間滑動(dòng)面理論建立的SMP屈服準(zhǔn)則,不僅很好地符合Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則,又克服了偏平面內(nèi)Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則的奇異性和Drucker-Prager準(zhǔn)則的抗壓強(qiáng)度相等性,同時(shí)也能夠反映中主應(yīng)力的影響。本文在SMP準(zhǔn)則的基礎(chǔ)上,聯(lián)合運(yùn)用彈塑性力學(xué)上的平面應(yīng)變公式推導(dǎo)出煤柱中部極限區(qū)寬度計(jì)算公式,并將其應(yīng)用到潞安王莊礦厚煤層開(kāi)采的煤柱極限區(qū)計(jì)算中,指導(dǎo)其窄煤柱開(kāi)采。

        1 松崗-中井 (SMP)準(zhǔn)則

        SMP準(zhǔn)則是由Matsuoka和Nakai于1974年提出的,它是一種土的三維破壞準(zhǔn)則[11]。該準(zhǔn)則基于空間滑動(dòng)面理論,考慮了3個(gè)主應(yīng)力或應(yīng)力張量不變量。自SMP破壞準(zhǔn)則提出以來(lái),大量的試驗(yàn)結(jié)果表明,該準(zhǔn)則可以較好地解釋土體的破壞[12],其表達(dá)式為:

        式中,τSMP為空間滑動(dòng)面 (SMP)上的剪應(yīng)力;σSMP為空間滑動(dòng)面 (SMP)上的正應(yīng)力。

        其應(yīng)力不變量的形式為:

        式中,kf為材料常數(shù);I1,I2,I3分別為一階、二階、三階應(yīng)力不變量。

        其中,

        式中,σ1、σ2、σ3為分別為無(wú)黏性土的大、中、小主應(yīng)力[13]。

        SMP破壞準(zhǔn)則的π平面上外接于Mohr-Coulomb準(zhǔn)則各不等邊的6個(gè)頂點(diǎn) (即3個(gè)伸長(zhǎng)子午線的試驗(yàn)點(diǎn)和3個(gè)壓縮子午線的試驗(yàn)點(diǎn))的一條光滑曲線,如圖1所示。

        圖1 Mohr-Coulomb準(zhǔn)則和SMP準(zhǔn)則在π平面上的破壞面

        但是,SMP準(zhǔn)則 (2)只適合無(wú)黏性材料。為了,將SMP準(zhǔn)則適用于有黏性的材料,Matsuoka于1990年作了修改[14],在主應(yīng)力表達(dá)式中引入一個(gè)粘結(jié)應(yīng)力σ0,其值為σ0=c·cotφ(其中c,φ為巖土材料的粘聚力和內(nèi)摩擦角),將其用于c-φ材料的擴(kuò)展SMP準(zhǔn)則[15],使其更為合理地描述黏性土的強(qiáng)度特性,其應(yīng)不變量形式為:

        式中,kf為材料常數(shù),分別為黏性材料的一階、二階、三階應(yīng)力不變量,其表達(dá)式為:

        2 平面應(yīng)變破壞準(zhǔn)則

        2.1 無(wú)黏性土的破壞準(zhǔn)則

        通過(guò)試驗(yàn)研究平面應(yīng)變的3個(gè)主應(yīng)力的關(guān)系,對(duì)于接近破壞狀態(tài)的無(wú)黏性材料有式 (6)成立[15-17]:

        將式 (6)代入式 (2)可得:

        式 (7)即為基于SMP破壞準(zhǔn)則的平面應(yīng)變條件下無(wú)黏性土的破壞準(zhǔn)則。

        2.2 c-φ材料的破壞準(zhǔn)則

        在三軸壓縮的條件下,假定粘結(jié)應(yīng)力σ0為

        式中,^σi(i=1,2,3)為黏性材料的大、中、小主應(yīng)力。

        因此,基于SMP破壞準(zhǔn)則的平面應(yīng)變條件下黏性土的破壞準(zhǔn)則為

        3 煤柱中的應(yīng)力函數(shù)和應(yīng)力分布

        由于煤柱寬度對(duì)于工作面巷道的穩(wěn)定性以及最大限度地提高煤炭的產(chǎn)出率有著重要的影響。因此,前人根據(jù)圓形巷道的計(jì)算塑性區(qū)寬度的公式建立了采空區(qū)周邊煤層的塑性區(qū)寬度的計(jì)算公式,同時(shí)為了保持煤柱的穩(wěn)定性,在煤柱的中部保留有2M的范圍作為煤柱的極限區(qū)。由于,煤柱中部極限區(qū)寬度2M是前人在總結(jié)經(jīng)驗(yàn)的同時(shí)提出的,本文依據(jù)適用于黏性土的SMP準(zhǔn)則,對(duì)煤柱中部極限區(qū)寬度進(jìn)行推導(dǎo),得到計(jì)算煤柱中部極限區(qū)寬度的計(jì)算公式。

        依據(jù)工作面煤柱內(nèi)的支承壓力的分布特點(diǎn)[18],如圖2所示。由圖中應(yīng)力分布曲線可以看出,根據(jù)礦壓顯現(xiàn)規(guī)律及現(xiàn)場(chǎng)的礦壓觀測(cè)顯示,由于支承壓力的作用,沿煤層傾斜方向的采空區(qū)側(cè)翼煤體礦壓顯現(xiàn)帶分為3個(gè)帶:Ⅰ—破碎區(qū);Ⅱ—塑性區(qū);Ⅲ—極限區(qū)。由于在煤柱開(kāi)采中,在煤柱中部存在著來(lái)自上一區(qū)段工作面采動(dòng)影響以及本區(qū)段工作面采動(dòng)影響,其其應(yīng)力重疊系數(shù)為K3。本文為了計(jì)算簡(jiǎn)便,使得K3=1。同時(shí),根據(jù)煤柱支承壓力分布特點(diǎn)還可知,煤柱極限區(qū)范圍內(nèi)的支承應(yīng)力形狀具有相似性,只是應(yīng)力集中系數(shù)有所不同,故在本文中,取左端極限區(qū)L2進(jìn)行研究,其支承應(yīng)力分布如圖3所示。由于當(dāng)煤體處于極限狀態(tài)時(shí),工作面及巷道超前支承壓力均服從負(fù)指數(shù)衰減,故可以假設(shè)在煤柱中部極限區(qū)范圍內(nèi)的應(yīng)力服從二階函數(shù)分布,可以假設(shè)其應(yīng)力分布函數(shù)為:

        圖2 煤柱支承應(yīng)力分布圖

        圖3 煤柱中部左端支承應(yīng)力分布圖

        由于在實(shí)際的煤礦生產(chǎn)當(dāng)中,一般情況下,煤層厚度和采深之間相差很大,故可以認(rèn)為,水平方向應(yīng)力σx在采高方向上是均勻分布的,而支承應(yīng)力σy沿煤層厚度方向是不變的[19]。依據(jù)這些假設(shè),聯(lián)合彈塑性力學(xué)中的艾里應(yīng)力函數(shù)以及最大主應(yīng)力公式,可以得到極限區(qū)內(nèi)任一點(diǎn)的最大和最小主應(yīng)力。由圖3的煤柱支承壓力圖可以看出,煤柱極限區(qū)內(nèi)在x=0,y=M/2(或者y=-M/2)取到最大和最小主應(yīng)力,其值分別為:

        式中,η為側(cè)壓力系數(shù),根據(jù)文獻(xiàn) [19]可知,側(cè)壓力系數(shù)η與泊松比μ有如下關(guān)系:

        將式 (12)、式 (13)代入式 (10)中,可以得到左端極限區(qū)L2的計(jì)算公式:

        對(duì)于右端的極限區(qū)L1,只需將式 (14)中的應(yīng)力集中系數(shù)K2改由巷道引起的應(yīng)力集中系數(shù)K1,可得:

        其中,式 (14)、式 (15)中的

        故基于SMP準(zhǔn)則的煤柱中部極限區(qū)寬度計(jì)算公式為:

        式中,K1,K2為應(yīng)力集中系數(shù),根據(jù)文獻(xiàn) [21]可知,應(yīng)力集中系數(shù)分別于圍巖的彈性模量E、粘聚力c、內(nèi)摩擦角φ、巷道的采深H以及巷道寬高比M/D等有關(guān),同時(shí)根據(jù)文獻(xiàn) [22]可知,一般巷道兩側(cè)的應(yīng)力集中系數(shù)為2~3,對(duì)于b/a=1/2的橢圓形孔,則可能達(dá)4~5。

        4 實(shí)例與分析

        對(duì)于潞安礦務(wù)局王莊礦3號(hào)煤層回風(fēng)巷,其煤層厚度為M=6.5m,埋深H=354m,煤層的內(nèi)摩擦角及黏結(jié)力分別為c=1.2MPa,φ=36°,泊松比μ=0.3,則根據(jù)側(cè)壓力系數(shù)η與泊松比μ的關(guān)系式:計(jì)算得到側(cè)壓系數(shù)約為η=0.43。

        煤體容重取γ=25kN/m3,則可以計(jì)算出巷道圍巖的原巖應(yīng)力γH=2.5×354=8.85MPa。依據(jù)上述參數(shù),取應(yīng)力集中系數(shù)為:K1=3.0,K2=2.5,將上述參數(shù)代入煤體極限區(qū)寬度計(jì)算公式 (16),可以得到煤柱中部極限區(qū)寬度為:L1+L2=5.23m,故可以取臨界寬度為5.3m。

        煤柱中部極限區(qū)寬度2M的經(jīng)驗(yàn)公式可知,在上述參數(shù)計(jì)算下,可以得到煤柱中部極限區(qū)寬度為2M=2m×6.5m。為了進(jìn)一步比較本文推導(dǎo)的煤柱中部極限區(qū)寬度計(jì)算公式與經(jīng)驗(yàn)公式2M之間的關(guān)系,本文進(jìn)行如下對(duì)比:由于經(jīng)驗(yàn)公式為2M只與煤層采高M(jìn)有關(guān),所以取煤層埋深H、煤層的內(nèi)摩擦角及黏結(jié)力分別為c=1.2MPa,φ=36°以及泊松比μ=0.3一定的情況下,只考慮煤層采高M(jìn)(設(shè)M的取值范圍為2.5~15.5m)的影響下,本文推導(dǎo)的煤柱中部極限區(qū)寬度與經(jīng)驗(yàn)公式2M之間的關(guān)系,如圖4所示。

        由圖4中的煤柱中部極限區(qū)寬度變化可知,在只改變煤層采高的情況下,采用SMP強(qiáng)度準(zhǔn)則計(jì)算得到的煤柱中部極限區(qū)寬度總是小于經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到的極限區(qū)寬度,這說(shuō)明了,采用考慮了中間主應(yīng)力的SMP強(qiáng)度準(zhǔn)則對(duì)于減小煤柱的尺寸具有重要的意義。同時(shí)也說(shuō)明,前人留設(shè)煤柱的中部極限區(qū)寬度計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)公式2M對(duì)于中厚煤層比較合理,而對(duì)于厚煤層過(guò)于保守,也很難解釋目前潞安局窄煤柱開(kāi)采的合理性。因此,本文推導(dǎo)的極限區(qū)計(jì)算公式是合理和正確的。

        圖4 改變煤層采高M(jìn)下煤柱中部極限區(qū)寬度變化曲線圖

        5 主要結(jié)論

        1)本文主要根據(jù)厚煤層放頂煤開(kāi)采中窄煤柱沿空掘巷煤柱內(nèi)的支承應(yīng)力的分布規(guī)律,采用適用于黏土材料的SMP屈服準(zhǔn)則,推導(dǎo)了計(jì)算煤柱中部極限區(qū)寬度的計(jì)算公式 (16)。

        2)依據(jù)潞安礦區(qū)王莊煤礦的具體地質(zhì)參數(shù),得出了潞安集團(tuán)王莊礦留設(shè)的煤柱的中部極限區(qū)臨界寬度為5.3m,實(shí)現(xiàn)了厚煤層放頂煤窄煤柱的成功開(kāi)采,上述計(jì)算結(jié)果被實(shí)踐證明是正確的。

        3)根據(jù)采用SMP強(qiáng)度準(zhǔn)則推導(dǎo)的煤柱中部極限區(qū)寬度計(jì)算公式與以往中厚煤層開(kāi)采時(shí)的經(jīng)驗(yàn)公式2M對(duì)比可知,由于SMP強(qiáng)度考慮了中間主應(yīng)力的影響,符合厚煤層開(kāi)采窄煤柱巷道圍巖的實(shí)際情況,因而使得煤柱的承載能力得到了提高,從而為厚煤層放頂煤開(kāi)采中窄煤柱沿空掘巷技術(shù)提供了理論依據(jù)。

        4)厚煤層放頂煤開(kāi)采中采用窄煤柱沿空掘巷技術(shù),可以大大減少煤柱寬度,從而增加了資源的回采率,具有重要的社會(huì)意義和經(jīng)濟(jì)意義。

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