1、房柱式開采上覆巖層破壞與垮落機理第32卷第6期2007年6月煤炭j0urnalofchinacoalsocietyv01.32no.6june2007文章編號:02539993(2007)06057704房柱式開采上覆巖層破壞與垮落機理孟達,王家臣,王進學(1.中國礦業大學(北京)資源與安全工程學院,北京100083;2.,中國有色工程設計研究總院,北京100038)摘要:針對房柱式開采及回采情況,提出了帶柱帽的無梁樓蓋體系計算模型,對煤柱和頂板內的應力,位移進行了詳細計算及破壞過程分析.提出了某個煤柱首先破壞后,會產生連鎖破壞現象.同時采用相似材料模擬試驗和flac.數值計算驗證了計算模型的

2、正確性.關鍵詞:房柱式開采;巖層破壞;無梁樓蓋;連鎖破壞中圖分類號:td823.51文獻標識碼:amechanismonthefailureandcavingofroofstratainpillarandhouseminingmengda,wangjia.chen,wangjin.xue,(1.schoolofresourceandsafetyengineering,chinauniversityofminingandtechnology(beijing),beijing100083,china;2.chinanonferrousengineeringandresearchinstitute,

3、beoing100038,china)abstract:operatingagainsttheconditionofroofstratainpillarsandhousemining,broughtforththecalculatingmodelofthenon.beamfloorwithpostcapwhichcalculatedthestress,displacementdetailandthefailureprocessofthecoalpillarandroofstrata.alsobroughtforththecoalpillarwouldoccurchainfailurepheno

4、menonwhileoneofpillardestroyedfirst.verifiedtheaccuracyofthecalculatingmodelbyusingthesimilarmaterialsimulatingexperi-mentandflacdnumericalsimulation.keywords:pillarsmining;stratafailure;non-beamfloor;chaindestruction我國目前房柱式采煤法的產量很小,占全部煤炭產量的5%以下,但在以前房柱式采煤法占有相當大的比例.這種方法的核心是以留下煤柱或充填后的煤房來支撐頂板,控制頂板與地面下沉

5、.在煤柱尺寸留設合理的情況下可以達到較好效果.然而隨著時間的推移,煤柱自然風化,破裂,長時間承載蠕變,以及回收部分煤柱等,經常會導致部分煤柱失穩破壞,波及相鄰煤柱破壞產生連鎖反應,最后導致整個采區甚至井田煤柱破壞,地表塌陷j.這種情況在國內外均時有發生,許多年甚至數10a前房柱法開采的采空區,當時處于穩定,后來發生了大面積破壞,波及地表,產生嚴重后果.如大同挖金灣礦青羊灣井,雁崖礦等.其破壞特征是采空區頂板大面積來壓,瞬問引發一次性整體切冒,伴有巨大風暴.1工程背景以大同挖金灣礦青羊灣礦井為工程研究對象.青羊灣井14號煤層404盤區距地面垂深84104m,煤層厚度4.04.3m,直接頂為2.5

6、2.8m的粉砂巖,結構完整,整體性強,節理,裂隙等構造極不發收稿日期:2006-1122責任編輯:柴海濤作者簡介:孟達(1969一),女,遼寧營口人,博士,副教授.email:mengfanda126.corn578煤炭2007年第32卷育,采用房柱式采煤法,一次采全厚,房寬810m,房間煤柱寬68m.1958年開采至1961年5月采完開始回收部分煤柱,在回收煤柱過程中發生大面積瞬時一次垮落.2理論分析模型根據挖金灣礦青羊灣井404盤區實際開采情況,可將房柱式開采后的采空區簡化為如圖1所示的模型.該模型認為,老頂作為上覆巖層的承載板,老頂以上載荷作用在老頂上,煤柱支撐老頂及上覆巖層載荷,某個煤

7、柱一旦破壞,會成倍增加老頂的跨度,當跨度達到一定程度時,老頂破斷,上覆巖層破斷下沉.為了簡化起見,初始時認為各個煤柱均勻承載,頂板及上覆巖層壓力均勻分布,煤柱與頂底板的接觸方式為固定支座.由于直接頂的垮落,在煤柱上方形成一定厚度的柱帽.其傳力方式是老頂所承受的荷載以及老頂的自重通過老頂傳到柱帽,由柱帽傳到煤柱,再由煤柱將所有的上部荷載傳到底板.其計算模型如圖1所示.圖1計算模型fig.1thecalculationmodel若計算中某一煤柱的壓應力大于其抗壓強度,則該煤柱破壞,若頂板未斷裂時,該煤柱的載荷將轉移到相鄰煤柱上,頂板跨度成倍增加,引起了相鄰煤柱的載荷重新分布.據此由重新分布的載荷判

8、斷相鄰煤柱的穩定狀態.若破壞,其載荷則會繼續向相鄰煤柱轉移,依此類推,發生連鎖現象.本文對于房柱式開采的計算方法采用無梁樓蓋方法,這樣可以得到老頂的動態破壞過程以及回采過程中的煤柱破壞機理,以及所產生的一系列破壞,即連鎖效應.無梁樓蓋的計算方法基本上可分為3類:彈性理論,極限平衡法,有限單元法.這里內力計算采用彈性理論的奈維(nevy)的單三角級數解和極限平衡法.3應力計算3.1強度計算根據采區巖層賦存情況及普氏理論/=tan.,其中,/為巖體的堅固性系數;.為巖體的似摩擦角.為了確定圍巖的松動壓力,普氏提供了基于天然拱概念的計算理論,上方形成一個拋物線的天然拱,作用在支護結構的圍巖壓力就是天

9、然拱以內松動巖體的重力.即它的高度和拱度與反映巖體特征的/值和所開挖的房寬寬度2b有關,其具體表達式為h=b/f=b+htan(45.一0/2)/f=11m,其中,hk為天然拱的高度;b為計算跨度;h為直接頂的厚度;則巖層荷載厚度hf=20m.根據無梁樓蓋的彎矩系數可知:如圖2對于煤柱2,3,4,5點的彎距最大,1點的撓度最大.因為煤柱寬為8m,而房間凈跨為10m,因此,可以認為單獨開挖每一個房間的上部荷載q為q=(hk+1/2)y=(b/f+f/2)=500kn/m,式中,為計算荷載范圍內巖石的容重.(,=q/a=2.53mpa<=13.0mpa,式中,q為煤柱所受的軸向壓力;n為柱的

10、邊長.根據極限平衡狀態來確定承受彎矩的板的厚度h,查奈維表可知圖3中的5點和2點的彎矩系數ol=0.1993.各點的彎矩m=6,其中,p為極面豎向荷載;b為柱距的一半.=m/wbi=3.5mpa,則h一4.0m.其中,為跨中間板帶柱上板帶圖3中間板格的塑性鉸線fig.3plasticsandingofmiddleboard第6期孟達等:房柱式開采上覆巖層破壞與垮落機理579中最大彎距;wb為頂板的抗彎模量.因此,第一直接頂板破壞的厚度為4in,即直接頂每4in垮落破壞.3.2極限平衡法破壞前的極限平衡狀態,考慮材料的塑性發展,平板極限狀態的內力分析就是屈服線理論,如圖2,3所示,塑性鉸線包圍的

11、板塊是絕對剛性的,由于結構材料不同,在既定的屈服線圖案中,鉸線的確切位置還需要進一步確定.這樣,老頂的巖層板破斷時裂隙呈0一+型,即先周邊破斷呈0型斷裂,而后是0型板內部呈+型破斷,即0型破斷是由于柱的根部剪力達到最大值,首先破斷,同時在柱中跨度處,彎矩達到最大值,而撓度是板中問達到最大值,因此板的破壞是+型破壞?3.3板內最大剪力tmax的計算煤柱支承雙向板的計算如圖4所示.m1=1mo=一0.2794mo=11315.7knin,式中,為奈維彎距系數;mo為單位寬度板的彎距,mo=qb.支座反力1=2=4500kn;板中最大剪應力在柱上,其位置距離柱中心約為3in,其最大剪力為3000kn

12、;在支柱根處的剪力為2500kn,老頂的彈性模量e=4.65gpa.丁f=tan+c=11.7mpa,其中,為巖層的內摩擦角;c為巖層的黏聚力.可得圖4柱支承雙向板計算fig.4calculationdiagramoftwowayboardbypillarsupporting老頂的受剪極限厚度為0.2in.因此,通過對板中正壓力和剪應力的計算可知,如果老頂柱根處有小=po.2in的薄層,則首先為剪切破壞,以剪切破壞為主;否則,由于中間板的撓度最大,所以厚頂板的破壞形式以+型破壞為主,即受彎破壞.實際上房柱式開采后,整體并沒破壞,而是在回采過程中破壞,一般回采煤柱截面積為3in3in.通過受壓破

13、壞的計算,煤柱的臨界寬度ai=3.6in;如果按回采后的煤柱截面積3in3in計算,則,:口z/a=18.0mpa>=13.0mpa,(1)式中,z為回采后的跨度;a為回采后煤柱的截面積.由式(1)可知煤柱已經受壓破壞,所以煤柱的最小寬度應不小于3.6in.回采后由于頂板不斷垮落,直至到垮落形成天然拱,即二次拋物線,使煤柱成為偏心受壓,此時壓力拱拱高大圖5頂板垮落的過程fig.5processdiagramofrooffigure約為20in,其直接頂的垮落過程如圖5所示.如果沒有回采煤柱,煤柱的邊長均大于3.6in,則只有直接頂垮落,形成天然拱.可以將直接頂的厚度認為是煤柱上方的柱帽,

14、而厚度較大的堅硬老頂可以作為無梁樓蓋板的主要承重構件板.在整個結構體系的分析上,該體系是穩定的.此結構形式正符合建筑結構的帶柱帽的無梁樓蓋的傳力方式以及內力計算的模型.4材料的相似模擬試驗圖6為針對大同挖金灣礦青羊灣礦井的地質條件所做的二維材料相似模擬實驗.在開采后,整個結構體系很穩定(圖6(a);將煤柱回采后,頂板并沒有立即垮落,接著將中間的煤柱挖掉后,發生了垮落(圖6(b);緊接著發生了連鎖垮落(圖6(c);最后垮落延伸到地面(圖6(d).由圖6可知,由于回采首先是煤柱的抗壓強度滿足不了要求,即>,導致頂板第1次垮落,使板的跨度成倍增大,由于中間煤柱的破壞瞬時使相鄰煤柱上面板的跨度增

15、加1倍,這樣,每次垮落老頂所受的荷載都是前一次的2倍或4倍,而且相鄰煤柱由破壞前的軸心受壓轉化為偏心受壓,逐步從小偏心受壓到大偏心受壓,從而導致老頂連續破壞,日.一某一煤柱發生破壞則整體破壞相當迅速,產生連鎖現象,瞬問完成整體切冒?煤炭2007年第32卷(c)5數值模擬(b)(d)圖6材料相似模擬試驗fig.6materialsimationtest為了說明頂板的破壞形式,本文應用flac程序進行數值模擬,分別對頂板厚度為3.5,4.0m進行模擬.從圖7可以看到不同板厚的板的受彎破壞情況,當板厚為4m時,如圖7(a)所示,可以看到在4個煤柱中問的黑色部分是受彎時拉應力,此時達到最大,即板中問的

16、最大撓度處已經破壞;將板厚減到3.5m時,可以看到板的裂紋延伸向著彎矩最大方向,即兩柱的跨度中問,如圖7(b)中灰白部分所示.得到其剪切一受拉的破壞形式為o一+的破壞規律,其與理論計算結果相符.6結論(a)(b)圖7板的破壞數值模擬fig.7simulateddiagramofboarddestroy(1)針對房柱式開采后采空區情況及煤柱分布,將其簡化為帶柱帽的無梁樓蓋計算模型,使房柱式開采的煤柱與頂板穩定性計算在理論上成為可能.(2)引用了建筑結構中無梁樓蓋的計算方法,詳細計算分析了房柱式開采后,煤柱,頂板應力與破壞過程,提出了某一煤柱破壞后,頂板跨度成倍增加,其載荷轉移到相鄰煤柱上,同時引起相鄰煤柱承受偏心荷載,引起相鄰煤柱破壞,最后產生連鎖現象.(3)通過相似材料模擬實驗和flac如數值計算,進一步揭示了房柱式采空區破壞過程,也驗證了本文提出的計