CN106815445A - 一种浅埋煤层区段煤柱载荷计算模型及其计算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种浅埋煤层区段煤柱载荷计算模型及其计算方法，通过建立区段煤柱载荷计算模型，区段煤柱载荷计算模型模拟实际矿区结构，包括矿底用于支撑的煤柱以及设置于两煤柱之间的巷道，其中煤柱上端为覆盖层，煤柱一侧为巷道，另一侧为垮落层，通过计算分析，煤柱上端的覆盖层即为煤柱主要所受载荷，然后分别通过分析覆盖层中的基岩层厚度、红土层厚度、垮落层上基岩层垮落角、垮落层上土层垮落角以及煤柱宽度，从而通过煤柱上的总载荷的计算公式，代入基岩层平均体积力、土层平均体积力以及动载系数，从而能够分析得出煤柱承受的总载荷，然后进一步加强煤柱设计，防止意外发生。

Description

一种浅埋煤层区段煤柱载荷计算模型及其计算方法
技术领域
本发明属于矿山压力技术领域，涉及一种浅埋煤层区段煤柱载荷计算模型及其计算方法。
背景技术
目前，基于埋深较大的地质条件，一般认为护巷煤柱上的载荷，是由煤柱上覆岩层重量及煤柱一侧或两侧采空区悬露岩层转移到煤柱上的部分重量所引起的，如图1所示。
煤柱上的总载荷为：
式中，P—煤柱上的总载荷，MN/m；
B—煤柱宽度，m；
D—采空区宽度，m；
H—煤层埋藏深度，m；
δ—采空区上覆岩层垮落角，°；
γ—上覆岩层平均容重，MN/m3。
煤柱单位面积的平均载荷即平均应力：
若按照公式1计算煤柱载荷，在埋藏浅、工作面宽度大的条件下，得出的煤柱载荷值为负数，与实际不符。因此，需要建立适用于浅埋煤层大采高条件的煤柱载荷计算模型。
发明内容
本发明的目的在于提供一种浅埋煤层区段煤柱载荷计算模型及其计算方法，以克服现有技术的不足。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种浅埋煤层区段煤柱载荷计算模型，包括用于矿井支撑的煤柱以及设置于两煤柱之间的巷道，其中煤柱上端为覆盖层，煤柱一侧为巷道，另一侧为采空区。
进一步的，采空区上方为冒落带和裂隙带，裂隙带穿过土层直接通达地表。
进一步的，覆盖层包括基岩层和土层，其中煤柱承受上覆盖层的重量。
一种区段煤柱载荷计算的方法，具体包括以下步骤：
1)、首先建立区段煤柱载荷计算模型，
2)、根据区段煤柱载荷计算模型分析，得到煤柱承受压力为上覆盖层的重量，
3)、根据载荷模型得到煤柱载荷P煤柱为：
P煤柱＝Bk(h1·γ1+h2·γ2)+k[r1·h1·h1·cotα+(2h1·cotα+h2·cotβ)h2·γ2](3)
式中：P煤柱—煤柱上的总载荷，MN/m；
h1—基岩层厚度；
h2—土层厚度；
α—基岩层垮落角；
β—土层垮落角；
B—煤柱宽度；
γ1—基岩层平均体积力；
γ2—土层平均体积力；
k—动载系数。
进一步的，其中基岩层垮落角α为20-25°，土层垮落角β为10-15°。
进一步的，具体的α为24°，具体的β＝12°。
进一步的，基岩层平均体积力γ1为0.02-0.03MN/m3，γ2为0.01-0.02MN/m3。
进一步的，具体的γ1＝0.026MN/m3，具体的γ2＝0.017MN/m3。
进一步的，基岩平均厚度h1为100-150m，红土平均厚度h2为0-50m，动载系数k＝1.49。
进一步的，具体的h1＝109m，h2＝34m。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明一种浅埋煤层区段煤柱载荷计算模型及其计算方法，通过建立区段煤柱载荷计算模型，区段煤柱载荷计算模型模拟实际矿区结构，包括用于护巷的煤柱以及设置于煤柱一侧的巷道，其中煤柱上端为覆盖层，煤柱一侧为巷道，另一侧为采空区，通过计算分析，煤柱上端的覆盖层即为煤柱主要所受载荷，然后分别通过分析覆盖层中的基岩层厚度、土层厚度、基岩层垮落角、土层垮落角以及煤柱宽度，从而通过煤柱上的总载荷的计算公式，代入基岩层平均体积力、土层平均体积力以及动载系数，从而能够分析得出煤柱承受的总载荷，然后进一步加强煤柱设计，得住最优煤柱结构设计，防止意外发生。本发明充分利用用浅埋煤层基本定义，及垮落层直接通达地表等特征，构建了区段煤柱载荷模型，避免了传统计算方法中存在的问题，很好的满足了煤柱载荷计算方法。
附图说明
图1为现有煤柱载荷计算示意图。
图2区段煤柱载荷计算模型结构示意图。
其中，1、煤柱；2、巷道；3、覆盖层；4、垮落层；5、冒落带；6、裂隙带。
具体实施方式
如图2所示，一种浅埋煤层区段煤柱载荷计算模型，包括用于护巷的煤柱1以及设置于煤柱一侧的巷道2，其中煤柱上端为覆盖层3，煤柱一侧为巷道，另一侧为采空区，其中煤柱另一侧的采空区由煤矿工作面回采后上方岩体全部垮落形成垮落层4，其中采空区上方包括冒落带5和裂隙带6，裂隙带穿过土层直接通达地表，煤柱上覆盖层由下至上依次为基岩层和土层，其中煤柱承受压力为上覆盖层的重量。
一种区段煤柱载荷计算的方法，具体包括以下步骤：
1)、首先建立区段煤柱载荷计算模型，
2)、根据区段煤柱载荷计算模型分析，得到煤柱承受压力为上覆盖层的重量，
3)、根据载荷模型得到煤柱载荷P煤柱为：
P煤柱＝Bk(h1·γ1+h2·γ2)+k[r1·h1·h1·cotα+(2h1·cotα+h2·cotβ)h2·γ2](3)
式中：P煤柱—煤柱上的总载荷，MN/m；
h1—基岩层厚度，m；
h2—土层厚度，m；
α—基岩层垮落角，°；
β—土层垮落角，°；
B—煤柱宽度，m；
γ1—基岩层平均体积力，MN/m3；
γ2—土层平均体积力，MN/m3；
k—动载系数。
其中由于煤质较硬，煤柱两侧受塑性变形后，其承载能力大大降低，因此煤柱抗压强度按照弹性核区计算：
式中B核为核区宽度。
其中基岩层垮落角α为20-25°，具体的α为24°，土层垮落角β为10-15°，具体的β＝12°，基岩层平均体积力γ1为0.02-0.03MN/m3，具体的γ1＝0.026MN/m3，γ2为0.01-0.02MN/m3，具体的γ2＝0.017MN/m3，基岩平均厚度h1为100-150m，具体的h1＝109m，土层平均厚度h2为0-50m，通常工作面切眼长度为300m，具体的h2＝34m，动载系数k＝1.49。
通过参数带入，根据公式4可得出煤柱上的平均应力，见表1。
表1不同煤柱宽度煤柱载荷及平均应力对比表
根据实验室所测得的煤层单轴抗压强度为21.8MPa，由表1可得，当煤柱宽度为19.2m时，煤柱载荷较低；当煤柱宽度为17.2m时，煤柱的平均载荷大于煤柱的单轴抗压强度，煤柱处于不稳定状态，故17.6m的煤柱宽度合理。
浅埋煤层分为两种类型：一种为基岩比较薄、松散载荷层厚度比较大的浅埋煤层，其顶板破断为整体切落形式，易于出现顶板台阶下沉。另一种为基岩厚度比较大、松散载荷层厚度比较小的浅埋煤层，其矿压显现规律与普通工作面类似，可以借鉴已有的研究成果指导顶板管理。浅埋煤层的识别可以参照以下基本指标：埋深不超过150m，基载比小于1.0。

Claims (10)

1.一种浅埋煤层区段煤柱载荷计算模型，其特征在于，包括用于护巷的煤柱以及设置于煤柱一侧的巷道，其中煤柱上端为覆盖层，煤柱一侧为巷道，另一侧为采空区。
2.根据权利要求1所述一种浅埋煤层区段煤柱载荷计算模型，其特征在于，采空区上方为冒落带和裂隙带，裂隙带穿过土层直接通达地表。
3.根据权利要求1所述一种浅埋煤层区段煤柱载荷计算模型，其特征在于，覆盖层包括基岩层和土层，其中煤柱承受上覆盖层的重量。
4.一种区段煤柱载荷计算的方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
1)、首先建立区段煤柱载荷计算模型，
2)、根据区段煤柱载荷计算模型分析，得到煤柱承受压力为上覆盖层的重量，
3)、根据载荷模型得到煤柱载荷P煤柱为：
P煤柱＝Bk(h1·γ1+h2·γ2)+k[r1·h1·h1·cotα+(2h1·cotα+h2·cotβ)h2·γ2] (3)
式中：P煤柱—煤柱上的总载荷，MN/m；
h1—基岩层厚度；
h2—土层厚度；
α—基岩层垮落角；
β—土层垮落角；
B—煤柱宽度；
γ1—基岩层平均体积力；
γ2—土层平均体积力；
k—动载系数。
5.根据权利要求4所述的一种区段煤柱载荷计算的方法，其特征在于，其中基岩层垮落角α为20-25°，土层垮落角β为10-15°。
6.根据权利要求5所述的一种区段煤柱载荷计算的方法，其特征在于，具体的α为24°，具体的β＝12°。
7.根据权利要求4所述的一种区段煤柱载荷计算的方法，其特征在于，基岩层平均体积力γ1为0.02-0.03MN/m3，γ2为0.01-0.02MN/m3。
8.根据权利要求7所述的一种区段煤柱载荷计算的方法，其特征在于，具体的γ1＝0.026MN/m3，具体的γ2＝0.017MN/m3。
9.根据权利要求4所述的一种区段煤柱载荷计算的方法，其特征在于，基岩平均厚度h1为100-150m，红土平均厚度h2为0-50m，工作面切眼长度为300m，动载系数k＝1.49。
10.根据权利要求9所述的一种区段煤柱载荷计算的方法，其特征在于，具体的h1＝109m，h2＝34m。
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