条带充填法多煤层煤柱群失稳主要影响因素数值模拟探究

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1、条带充填法多煤层煤柱群失稳主要影响因素数值模拟探究　　摘要：结合托板理论、条带充填采煤、开采沉陷学和岩层控制理论，运用2D-σ数值模拟工具，对条带充填法煤柱稳定性影响因素进行了试验研究。重点研究了条带充填开采条件下的多煤层煤柱群稳定性问题，揭示了特定地质采矿条件下开采宽度、煤柱宽度和充填宽度对煤柱群稳定性的影响规律。关键词：条带充填法煤层群托板理论煤柱群稳定性中图分类号：P618.11文献标识码：A文章编号：我国生产矿井三下压煤量达140亿吨，大多集中分布于工业基础较好、开发条件较为优越、对煤炭需求较为迫切的经济发达地区。因此，大力研究和发展建下煤层的开采技术对合理开发和充分利用地下

2、资源，延长濒临破产的煤炭企业的寿命，促进煤炭企业的可持续发展都具有重大意义。条带充填开采方法是一种绿色开采方法，在条带开采方法基础上，采用填充体通过在煤柱两侧进行充填加固，以其作为支撑，达到回收条带煤柱并控制开采引起的上覆岩层的破坏和变形的目的。1.托板理论7判别覆岩托板位置→估算覆岩托板等效垮距→设计条带宽度、煤柱宽度和充填条带宽度→设计充填强度验算充填条带稳定性→预计条带充填开采的地表沉陷。可以得到托板的等效垮距为：2.煤柱群理论条带充填开采煤柱群和围岩是相互作用的，因而必须进行“煤柱群－围岩”整体力学计算，提供保证系统可靠性的数据。1、多煤层条采的岩层移动变形规律基本上和全采相

3、同，但位于条采煤层上方一定高度内的岩层呈波浪下沉状，波浪发育高度与条采的开采长度和煤柱长度以及岩性等有关，波浪的发育高度对条带采长的确定起决定性作用。2、当上下两煤层层间距大于下煤层采厚的25倍，并大于条带开采长度的2倍时，可认为上下煤层条采相互不影响。3、近距离煤层条带煤柱错位是十分不利的，要使上下煤层煤柱对齐，更好的方法是按岩层断裂角使上下煤层煤柱斜向对齐。4、煤柱的垂直应力随采深的增大而增大，煤柱的应力分布与条采尺寸、上下层煤柱相互关系等有关。当平均应力小于原岩应力的2倍，或平均应力大于原岩应力的2倍，而峰值应力与平均应力之比大于1.1时，均可认为煤柱是稳定的。3.2D-σ计算

4、程序简介7本次计算采用的2D-σ程序是岩土工程的应用而开发的二维连续介质有限单元法计算程序。2D-σ是完全基于Windows平台开发的应用程序，共包括前处理器、分析器和后处理器。4.数值模型的建立沿X方向布置了十五个短壁条带充填工作面，从左向右、从上向下依次布置工作面，开采后一个工作面时充填前一个工作面，最后完成十五个工作面的局部充填，未充填的工作区域为采煤运输、通风、排水等工序用，模型左右边界在X方向各距离条带工作面边界100m，模型的范围为开挖空间最大直线尺寸5倍以上，边界约束对计算数值计算的影响小于5%，符合工程计算的误差要求。根据托板理论判断托板为粉砂岩，等效跨距为20m，煤

5、柱极限尺寸为采厚2倍，充填极限长度为塑性区长度。4.1边界条件的确定左右端位移约束，下端固定约束，上部自由约束。4.2不同充填体长度对比分析充填宽度与最大压应力和最大位移关系曲线是下凸的减函数，当小于6m时变化显著，当大于6m时曲线接近水平，变化不显著，可以选取特征点作为合理的设计参数；充填宽度对地表最大位移的影响不大，曲线近似一条水平直线，且是呈单调递减的。74.3不同煤柱宽度对比分析煤柱宽度与最大压应力和位移最大值关系曲线是下凸的减函数。当小于10m时变化显著；当大于10m时曲线接近水平，变化不显著，考虑采出率要求可以选取特征点作为设计合理参数；关系曲线是下凸的减函数，当小于6m

6、时曲线变化显著，当大于6m时曲线接近水平，变化不显著，考虑采出率要求可以选取特征点作为设计合理参数。4.4不同开采宽度对比分析开采宽度与最大压应力和最大位移关系曲线近似一条直线，且是呈单调递增的；开采宽度对地表最大位移的影响较大，开采宽度与地表最大位移关系曲线近似一条直线，且是呈单调递增的，变化的幅度基本是均匀的。4.5合理充填宽度的确定图4三煤层充填宽度最大应力值及最大位移值和充填成本关系充填成本与最大压应力的交点在（6m，7m）区间中，充填成本与地表最大位移的交点在（9m，10m）区间中。同时考虑充填宽度对单位面积成本、最大压应力及地表最大位移的影响，在煤柱宽度为6m，开采宽度为

7、20m时，充填宽度的合理取值范围应在区间（6m，7m）上，此时的充填比为0.6～0.7。7图5三煤层煤柱宽度最大应力值及最大位移和充填成本关系两曲线变化趋势具有一致性，都是减函数曲线，要想取得合理区间范围需要考虑采出率以要求和支采比影响。图6三煤层开采宽度最大应力值及最大位移和充填成本关系充填成本与最大压应力的交点在（21m，22m）区间中，充填成本与地表最大位移交点在（24m，25m）区间中，在煤柱宽度为6m，充填宽度为6m时，开采宽度的合理取值范围应在