CN110173263B - 一种柱式充填开采关键参数设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种柱式充填开采关键参数设计方法，包括：采集顶板岩样，测试顶板岩样的物理力学参数；建立柱式充填开采顶板力学模型，设定柱式充填体横截面积、弹性模量和总数目，判定顶板是否稳定；采场顶板稳定后，确定柱式充填开采关键参数。本采煤方法工艺简单，技术上完全实现了无煤柱开采，煤炭资源回采率高，有效解决了资源紧缺矿井实施充填开采过程中充填材料不足的问题。

Description

一种柱式充填开采关键参数设计方法
技术领域
本发明属于开采设计技术领域，具体涉及一种适用于资源紧缺矿井无煤柱少料充填开采设计方法，尤其是一种柱式充填开采关键参数设计方法。
背景技术
传统柱式开采需要留设柱式煤柱以达到控制地表下沉和减少采动损害的目的，而大量存在的柱式煤柱，不仅造成了优质煤炭资源的流失与浪费，同时容易引发矿震、采空区火灾等灾害。柱式煤柱在上覆岩层载荷的长期作用下会发生蠕变，加之煤柱自燃等因素，煤柱本身强度随时间逐渐降低，当上覆岩层的载荷大小达到煤柱的抗压强度后，部分煤柱出现垮塌，进而引发了应力转移导致煤柱群的“多米诺骨牌”式失稳，诱发大面积地表沉陷及矿震灾害。为避免资源浪费、发火、岩层失稳问题等，柱式充填开采利用柱式充填体代替煤柱实现岩层控制。而为了控制充填成本，节约充填材料，需要对柱式充填进行设计。因此，柱式充填开采岩层稳定性判别及充填设计具有重要意义。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种柱式充填开采关键参数设计方法，解决柱式充填开采中充填成本高的问题，能避免开采后充填体不足量引起岩层失稳对开采造成破坏性影响。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
本发明的柱式充填开采关键参数设计方法，包括以下步骤：
(1)采集顶板岩样，测试顶板岩样的物理力学参数；
(2)建立柱式充填开采顶板力学模型，设定柱式充填体横截面积、弹性模量和总数目，判定顶板是否稳定；
(3)采场顶板稳定后，确定柱式充填开采关键参数；
所述步骤(1)中，顶板岩样的物理力学参数包括：顶板抗拉强度σt、顶板弹性模量E、顶板泊松比ν。
所述步骤(2)具体步骤如下：
a.以顶板的重心O为坐标原点，工作面推进方向为x轴，水平面上垂直于工作面推进方向为y轴，顶板垂直下沉方向为w轴，建立柱式充填开采顶板力学模型；
b.计算顶板充填开采期间最大拉应力σmax；
Figure BDA0002071441080000021
Figure BDA0002071441080000022
其中，Eb为柱式充填体弹性模量，n为柱式充填体个数，Ab为单个柱式充填体横截面积，2A为走向长度，2B为采长，q为上覆岩层压力，h为顶板厚度，H为采高，σxmax、σymax分别为最大拉应力σmax在x轴、y轴方向上的分力。
c.采用第一强度理论判定顶板是否发生破断；
σxmax≤σt
σymax≤σt
d.若顶板不发生破断，进行步骤(3)；反之，适当调整柱式充填体横截面积、弹性模量和总数目，重新进行步骤(2)。
所述步骤(2)中单个柱式充填体横截面积Ab计算方法为：
方形：Ab＝a×b
圆：Ab＝πr2
其中，a为方柱充填体长，b为方柱充填体宽，r为圆柱充填体半径。
有益效果：由于采用了上述技术方案，本发明通过建立柱式充填开采顶板力学模型，设定柱式充填体横截面积、弹性模量和总数目，采用强度理论判断压煤顶板稳定性，然后调整充填参数，最后确定柱式充填开采柱式充填体横截面积、弹性模量和总数目。本采煤方法工艺简单，技术上完全实现了无煤柱开采，煤炭资源回采率高，有效解决了资源紧缺矿井实施充填开采过程中充填成本过高的问题。在本技术领域内具有广泛的实用性。
附图说明
图1是本发明的柱式充填开采关键参数设计方法流程图；
图2是本发明的柱式充填体横截面示意图；(a)为方形横截面，(b)为圆形横截面；
图3、4是本发明的柱式充填开采顶板力学模型。
图中：a为方柱充填体长，b为方柱充填体宽，r为圆柱充填体半径，2A为走向长度，2B为采长，q为上覆岩层压力，Eb为柱式充填体弹性模量，h为顶板厚度，H为采高，w为顶板下沉挠度，x为水平面上沿工作面推进方向与坐标原点O的距离，y为水平面上沿垂直于工作面推进方向与坐标原点O的距离。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作更进一步的说明。
本发明的方法流程见图1。
针对河南平顶山某煤矿进行柱式充填开采，主采煤层己16-17埋深85m，煤层平均厚度6.57m，顶板为粉砂岩，设计走向长度1666m，采高6.3m，采长192m(见表1)。先采集顶板岩样，测试顶板岩样的物理力学参数(见表1)。
表1充填采煤参数
Figure BDA0002071441080000031
建立柱式充填开采顶板力学模型，设定柱式充填体横截面积、弹性模量和总数目，判定顶板是否稳定。
以顶板的重心O为坐标原点，工作面推进方向为x轴，水平面上垂直于工作面推进方向为y轴，顶板垂直下沉方向为w轴，建立柱式充填开采顶板力学模型(见图3、4)。充填体采用方柱充填，初步设定柱式充填体长8m，宽6m，弹性模量Eb取5.46×109N/m2，总数目n为3154。
计算柱式充填体横截面积(如图2(a)所示)：
Ab＝a×b
其中，a为柱式充填体长，b为柱式充填体宽。
根据上式计算得出柱式充填体横截面积为48m2。
Figure BDA0002071441080000032
Figure BDA0002071441080000041
其中，q为上覆岩层载荷，E为顶板弹性模量，ν为顶板泊松比，h为顶板厚度，H为采高，2A为煤层走向长度，2B为采长，n为柱式充填体总数目，Eb为柱式充填体弹性模量。
根据上式计算得出顶板最大拉应力
σxmax＝2.86×105Pa≤σt＝1.98×107Pa
σymax＝2.15×107Pa≥σt＝1.98×107Pa
采用第一强度理论(最大拉应力理论)判定顶板发生破断，即顶板不稳定。
顶板不稳定，则需适当调整柱式充填体长和宽、弹性模量和柱式充填体总数目，重新判定顶板稳定性。
选取不同柱式充填体长和宽、弹性模量和柱式充填体总数目，判定压煤顶板稳定性(见表2)。
表2充填采煤参数选取
Figure BDA0002071441080000042
根据表2可知方案3、6、9、12可行。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种柱式充填开采关键参数设计方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)采集顶板岩样，测试顶板岩样的物理力学参数；
(2)建立柱式充填开采顶板力学模型，设定柱式充填体横截面积、弹性模量和总数目，判定顶板是否稳定，具体步骤如下：
a.以顶板的重心O为坐标原点，工作面推进方向为x轴，水平面上垂直于工作面推进方向为y轴，顶板垂直下沉方向为w轴，建立柱式充填开采顶板力学模型；
b.计算顶板充填开采期间最大拉应力σmax：
Figure FDA0002440044010000011
Figure FDA0002440044010000012
其中，Eb为柱式充填体弹性模量，n柱式充填体个数，Ab单个柱式充填体横截面积，2A为走向长度，2B为采长，q为上覆岩层压力，h为顶板厚度，H为采高，σxmax、σymax分别为最大拉应力σmax在x轴、y轴方向上的分力；
c.采用第一强度理论判定顶板是否发生破断：
σxmax≤σt
σymax≤σt
σxmax、σymax分别为最大拉应力σmax在x轴、y轴方向上的分力，σt为顶板抗拉强度；
d.若顶板不发生破断，进行步骤(3)；反之，调整柱式充填体横截面积、弹性模量和总数目，重新进行步骤(2)，单个柱式充填体横截面积Ab计算方法为：
方形：Ab＝a×b
圆：Ab＝πr2
其中，a为方柱充填体长，b为方柱充填体宽，r为圆柱充填体半径；
(3)采场顶板稳定后，确定柱式充填开采关键参数，使得顶板稳定。
2.根据权利要求1所述的一种柱式充填开采关键参数设计方法，其特征在于，所述顶板岩样的物理力学参数包括：顶板抗拉强度σt、顶板弹性模量E、顶板泊松比ν。
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