我国条带煤柱稳定性研究现状及存在问题

为了揭示条带煤柱动力系统失稳的机理,丰富和发展条带开采优化设计理论,在综合分析大量文献的基础上,从煤柱的载荷和强度、煤柱的尺寸设计、煤柱的稳定性分析等方面对条带煤柱的稳定性研究现状进行了论述．研究指出目前条带煤柱缺少在长期稳定性和动力稳定性方面的理论研究,通过深入系统地研究条带煤柱非线性动力系统稳定性的主要影响因素,应用非线性动力学理论,建立条带开采煤柱变形、破坏、滑动等非线性动力系统稳定性模型和稳定性的判定准则和分析方法,找出影响系统稳定性的控制变量,研究控制变量的变化规律,用调整系统控制变量的方法来防治系统失稳．     

条带式Wongawilli煤柱特征及作用机理分析

条带式Wongawilli采煤法是一种新型高效减沉采煤法,对减轻采场覆岩破坏、控制地表沉陷、减少采动对地表建(构)筑物的损害具有重要意义,而煤柱是条带式Wongawilli采煤法减沉降损效果的关键。为研究条带式Wongawilli开采煤柱特征及其对覆岩作用,阐明了条带式Wongawilli采煤法煤柱系统与顶板的相互作用机理,本文结合王台铺煤矿地质采矿条件,采用理论分析、相似模拟及现场验证相结合的方法,研究了条带式Wongawilli开采煤柱形式及特征,建立了条带式Wongawilli煤柱的结构力学模型,分析了直接顶离层情况及不规则煤柱、条带煤柱的受力与支护强度。研究表明:条带式Wongawilli采煤法由刀间煤柱、不规则煤柱、条带煤柱形成了特殊的煤柱系统,刀间煤柱起临时支护作用,随着工作面的推进,刀间煤柱随采随垮或者短时间内就失去支撑能力;不规则煤柱能对顶板的维护起到一定作用;条带煤柱是整个煤柱系统的关键。条带式Wongawilli开采直接顶与基本顶发生离层,直接顶弯曲下沉形成"固支梁"或垮落形成"悬臂梁" 2种结构,并作用于条带式Wongawilli煤柱;条带煤柱与传统条带开采煤柱类似,支撑直接顶及基本顶。不规则煤柱类似于支撑单体的形式(类单体)被动支撑直接顶,且不规则煤柱如果发生失稳破坏,条带煤柱的压缩突变量也会突增,影响其稳定性,进而影响整个条带式Wongawilli开采煤柱系统的稳定。     

基于形状指数和面积的不规则煤柱稳定性分析

为了准确判断不规则煤柱的稳定性,提出将煤柱形状指数和面积作为影响煤柱稳定性因素的思路。通过数理统计和实例分析发现,煤柱形状越复杂,其安全系数越小,煤柱就越不稳定。煤柱面积越大,其安全系数越大,煤柱就越稳定。煤柱安全系数与煤柱形状指数和面积之间存在定量关系,在采深约150 m,煤厚约2.2 m,采宽20~30 m,煤柱面积3 000 m2以下条件下,不规则煤柱的安全系数K与其形状指数S和面积A的函数关系表达式为K=8.799 9S-0.9+0.056 1ln(A)-1.773 4。研究结果表明,煤柱形状指数和面积是影响煤柱稳定性的重要因素,可作为计算不规则煤柱安全系数的重要指标。     

应用FLAC软件对煤柱稳定性影响因素的模拟

应用二维程序FLAC3.3模拟了不同煤柱宽度下巷道的位移场与应力场,以及破坏范围,得出了煤柱尺寸与巷道变形的关系曲线.采用三维程序FLAC3D建立了大型数值计算模型,分析了煤柱宽高比对煤柱稳定性的影响及在采动系数为2时,不同煤柱宽度对煤柱稳定性的影响.     

条带开采中煤柱稳定性分析

系统地分析了条带开采中煤柱稳定性问题。通过多个实例计算的对比分析，建议采用Ｗｉｌｓｏｎ强度公式进行一般地质采矿条件下条带煤柱强度的计算。从煤柱强度分析出发，导出了任意方向弱面的剪力强度安全系数计算式；建立了顶底板通过摩擦作用施加给煤柱的儿拉压应力引起的煤柱屈服区宽度变化的简化计算式；从３向受力状态角度分析了侧限力对增加煤柱强度的机理问题；还强调了煤柱载荷与采出率之间的非线性关系和条带开采设计中应注     

地震扰动作用下条带煤柱动力稳定性评价

为研究条带开采工程在外部扰动力作用下条带煤柱的稳定性,结合峰峰矿区条带开采经验和万年矿建筑物下压煤实际情况,综合分析后,确定庄宴村下压煤的条带开采方案,并在此基础上建立FLAC3D数值模型,采用动力时程分析方法分析了地震波对条带开采岩体稳定性影响,根据带抗拉摩尔库伦本构关系,利用强度屈服准则来判断条带煤柱单元稳定性,得出条带煤柱各单元安全系数,结果表明,条带煤柱在地震作用下稳定性降低,因此开采设计过程中必须考虑动载荷的影响。     

条带式Wongawilli开采煤柱失稳覆岩破坏分析

为研究条带式Wongawilli开采煤柱失稳覆岩破坏机理及岩层移动特征,结合赵屋煤矿15号煤连采一区地质采矿条件,采用理论分析、现场实测、公式计算及相似模拟相结合的方法,建立了条带式Wongawilli开采煤柱系统模型,分析了煤柱失稳机理及其对覆岩的影响。研究表明:条带式Wongawilli煤柱系统中,个别损害或者不规则(有尖角)煤柱在矿山压力及地下水侵泡等不良因素的共同作用下可能发生破坏失稳,进而引发相邻煤柱失稳,产生"多米诺"效应,从而导致整个煤柱系统失效;煤柱一旦发生失稳,开采工作面由非充分采动转化为充分采动,加剧覆岩破坏,导致地表塌陷。     

应用FLAC软件对煤柱稳定性影响因素的模拟

应用二维程序FLAC3.3模拟了不同煤柱宽度下巷道的位移场与应力场,以及破坏范围,得出了煤柱尺寸与巷道变形的关系曲线。采用三维程序FLAC3D建立了大型数值计算模型,分析了煤柱宽高比对煤柱稳定性的影响及在采动系数为2时,不同煤柱宽度对煤柱稳定性的影响。     

条带式Wongawilli开采煤柱系统突变失稳机理及工程稳定性研究

对于条带式Wongawilli新型减沉开采技术,煤柱失稳直接导致地表沉陷,影响建(构)筑物的安全,采用突变理论和损伤本构方程,建立了采硐间狭窄煤柱和条带煤柱失稳的尖点突变模型。计算分析了条带式Wongawilli开采煤柱系统工程稳定性及突变影响参数,得出了窄煤柱与条带煤柱的突跳压缩量计算公式,通过工程实例计算与数值模拟验证了结果的合理性。研究结果表明:采硐狭窄煤柱满足突变失稳的必要条件,其所受载荷、屈服刚度和峰值载荷压缩量决定着突变的发生;当采高在2~6 m变化时,采留宽度比需控制在0.16~0.75,才可保证系统不产生突变失稳。条带煤柱保持稳定则要求其核区率大于17%,在弹塑性区宽度比小于0.21的情况下,条带煤柱可能发生突变失稳。     

煤柱-顶板系统失稳的突变理论模型研究

假设顶板岩层处于弹性工作状态情况下,建立了煤柱-顶板系统的力学模型。根据力学模型,应用突变理论建立了条带煤柱突变破坏失稳的尖点突变模型,导出了条带煤柱破坏失稳的主要条件表达式。分析表明,煤柱失稳与条带煤柱顶板的受破坏程度有关,煤层顶板受开采扰动的影响产生塑性区,塑性区越大,其弹性刚度kd越小,越易发生突变失稳。     

条带煤柱强度弹塑性理论公式的修正

条带开采是目前解决“三下”压煤的较为切合中国煤矿企业实际的方法之一,条带开采成败的关键是条带煤柱的长期稳定性。首先对煤矿地质条件进行分类,采用连续介质力学理论,探讨条带开采的合理条带煤柱尺寸。以弹塑性力学为基础,结合应力平衡微分方程和库仑准则推导出保留条带煤柱的应力极限平衡区宽度,利用弹性理论的复变函数模型推导出条带煤柱屈服区的宽度,进而推导出不同的理论公式,理论公式经实践证明能满足工程需要。     

陕北中小矿井条带保水开采煤柱稳定性研究

为研究陕北中小矿井条带保水开采方式中条带煤柱的稳定性,采用相似模拟实验对"采12留8"条带开采中8 m条带煤柱及煤柱削减至6 m及4 m后的煤柱稳定性进行了对比模拟研究。研究结果表明:条带工作面条带煤柱及边界大煤柱构成承担覆岩荷载的整体结构,条带煤柱是主体;条带煤柱尺寸减小首先造成采空区域中部煤柱产生塑性变形,其承受的荷载向其它煤柱转移;4 m条带煤柱造成采空区中部局部条带煤柱首先失稳,进而导致覆岩的瞬间大范围垮落。8 m条带煤柱可保证煤柱长期的稳定性,达到保水开采的目的。     

遗留煤柱群链式失稳的关键柱理论及其应用展望

遗留煤柱群链式失稳会引发覆岩垮落、地表塌陷、动载矿压、瓦斯外逸或水体下泄等灾害。揭示遗留煤柱群链式失稳的核心机理是精准防控的基本前提。从链式失稳的源头出发,提出了遗留煤柱群的最弱失稳致灾模式,界定了关键柱的基本概念,分析了关键柱的主要特征,研发了关键柱判别的技术方法,揭示了关键柱局部失稳的诱灾机理,形成了遗留煤柱群链式失稳的关键柱理论,并对其潜在的应用范围与领域进行了展望。研究结果表明:①遗留煤柱内在物理力学性质和外在环境因素等的差异性,导致采场遗留煤柱群呈现出最弱失稳致灾模式——遗留煤柱群体系中任一失稳致灾模式发生时,最弱失稳致灾模式必然已经发生,即遗留煤柱群体系发生链式失稳时,稳定性最弱的遗留煤柱必然发生了失稳。②关键柱是指采空区中最先可能发生局部失稳的遗留煤柱;“关键柱”之所以“关键”,是因为唯有采空区“关键柱”发生局部失稳,邻近区域稳定性稍强的遗留煤柱的失稳破坏才可能被活化,采场遗留煤柱群的链式失稳也才可能发生。③安全系数最小的遗留煤柱可以判别为煤柱群体系中的“关键柱”,在进行关键柱判别的时候需要遵循区域性、相对性、动态性和复合性等四大原则。④关键柱局部失稳的诱灾机理体现在:关键柱载荷的逐渐减小使得最邻近遗留煤柱承担的载荷线性增大,即关键柱的局部失稳会引发覆岩载荷向最邻近的遗留煤柱中转移与扩散,导致进一步的失稳破坏,并最终可能引发遗留煤柱群体系的“多米诺”链式失稳与破坏。⑤关键柱理论不仅可以应用于柱采区邻近煤层开采、强矿压控制、煤柱留设、充填开采、瓦斯抽采和水害防治等技术领域,还能推广应用于非煤矿山资源开采矿柱群的失稳防控等领域。遗留煤柱群链式失稳关键柱理论的提出有望促进我国煤炭资源绿色开采理论与技术的发展。     

煤柱强度与变形特征的实验室试验研究

按照宽高比和完整性设计2种实验方案,采用实验室试验的方法研究煤柱强度与变形特征。实验结果表明:宽高比增加肯定能够提高煤样的变形能力,因受完整性影响其强度提高具有不确定性,说明宽高比增大对煤样变形具有明确的正面影响,但对其强度影响不确定;不论煤样的完整程度如何,其整体变形能力随宽高比增大而提高,煤样强度上限也随着宽高比增加而增大,但其强度下限值却呈现参差不齐的特征,表明煤样完整性对其强度的提高具有不确定性。     

双侧采空不规则煤柱稳定性分析

为确定某矿3303工作面不规则煤柱处于两侧采空状态时的稳定程度,通过数学模型对不规则煤柱最小安全尺寸及煤柱稳定性系数进行计算,在此基础上,以数值模拟对不规则煤柱两侧采空状态下的应力变化规律展开分析。结果表明:煤柱最小安全尺寸为31.2 m,大于3303工作面推进36.5 m范围内不规则煤柱尺寸;煤柱稳定性系数为1.14,根据煤柱稳定性判别指标判定煤柱为稳定状态;不规则煤柱应力随工作面推进距离增大呈上升趋势,最大应力值与理论计算煤柱承载强度最小值基本一致;综合评定双侧采空状态下,不规则煤柱能够保持稳定。     

强动力条件下沿空掘巷煤柱稳定性及合理留设分析

针对强动力条件下煤柱的稳定性和合理留设问题,以高家堡煤矿204工作面为研究背景,采用理论分析和数值模拟相结合的方法,对比分析了4~30 m煤柱的应力分布和变形破坏特征,确定了留设煤柱宽度为6 m。通过分析变形特征和支承压力分布特征,将煤柱稳定状态分为破裂区、卸载区、弹性区3个区;分析认为,宽度合理留设应考虑使巷道处于应力降低区、煤柱自身稳定性、有利于提高煤炭采出率、满足隔离采空区需要的4大原则。现场实践表明,巷道掘进采用该煤柱宽度之后,巷道浅部围岩变形量小且易于控制,取得了良好的施工效果,既提高了煤炭回采率又便于防冲安全管理。     

不同含水率条带煤柱稳定性研究

煤层的富水性明显影响高应力作用下条带煤柱的稳定性,为研究含水率对条带煤柱蠕变特性的影响,首先对不同含水率的煤样进行蠕变试验,结果表明,含水率对煤样蠕变特性具有明显的影响,含水率越大,煤样的蠕变变形量越大,其蠕变门槛值、蠕变强度及蠕变系数越低。蠕变试验拟合结果表明,采用改进的Burgers模型能够较好地描述煤的蠕变力学特性。以蠕变试验结果为基础,采用FLAC~(3D)数值模拟软件对不同含水率条带煤柱的蠕变特性及稳定性进行了模拟分析。随含水率增大,应力峰值距煤壁距离增加,煤柱塑性区增大;同时,煤柱垂直应力变小,蠕变变形量增大,其承载能力降低,煤柱进入长期稳定状态的时间加长。数值模拟结果表明,在其他条件相同的情况下,煤柱含水率为0.78%,1.07%及1.36%时,煤柱塑性区宽度分别为10,12,16 m,其进入长期稳定状态的时间分别为18,24及36个月。     

条带煤柱长期受力变形特征研究

为研究条带煤柱的长期受力变形状态,采用钻孔应力计与位移监测仪对岱庄煤矿条带煤柱进行了长期观测研究。研究表明:岱庄煤矿70 m条带煤柱分为58 m弹性核区、4～5 m塑性破坏区和1 m完全破碎区;通过对实测数据进行修正,确定了煤柱各分区的实际支撑能力,煤柱5 m深度部位的实际长期支撑能力11.896 MPa;条带煤柱中间50 m的平均长期支撑能力为29.5 MPa,承载能力大于采留尺度范围内的覆岩重量;同时冒落的矸石充填采空区,对基本顶和覆岩具有一定的支撑作用,故该煤柱是长期稳定的。