CN111472777A - 一种边坡下近水平煤层工作面煤柱宽度确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及近水平浅埋煤开采领域，特别是一种边坡下近水平煤层工作面煤柱宽度确定方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤一、分析边坡下开采结构特征，建立边坡下开采结构力学模型；步骤二、过B点假想分界面，将滑体分为第一块体和第二块体，计算第一块体重力W₁，第二块体重力W₂；步骤三、计算第二块体的安全系数F₂；步骤四、计算边坡煤柱宽度L₂。本发明考虑了井工开采采动对边坡稳定性的影响，该条件下开采形成的结构空间，对其进行力学分析，建立边坡下近水平煤层井工开采煤柱宽度的确定方法，为煤柱宽度设计提供依据，本发明符合实际需求，误差小，计算过程简单。

Description

一种边坡下近水平煤层工作面煤柱宽度确定方法

技术领域

本发明涉及近水平浅埋煤开采领域，特别是一种边坡下近水平煤层工作面煤柱宽度确定方法。

背景技术

我国神府煤田煤炭有储量大，埋藏浅，煤质好，基岩薄，松散层厚，地表沟壑交错，生态环境脆弱等特点。由于神府煤田属于浅埋煤层，高强度开采下，岩体失去支撑，岩层实现充分采动，地表发生沉陷，裂缝由下从上发育至地表，在时间效应下易诱发滑坡，形成地质灾害。边坡下井工开采形成的空间结构，其不同区域裂隙发育不同，煤柱宽度影响因素较多难以确定，目前尚缺乏科学有效的方法。现有边坡下煤柱宽度的确定方法主要参考井工开采煤柱宽度确定方法，其中包括：静态载荷法、数值模拟法、工程类比法等。针对边坡下近水平煤层开采，以上方法主要存在以下不足：

(1)静态载荷法：一般根据煤柱上覆岩层容重对煤柱极限强度极限分析，但误差较大。

(2)数值模拟法：主要分析方法为有限单元法和有限差分法，有限单元法是将边坡体离散成有限个单元，通过分析单元体应力和应变来评价整个边坡稳定性分析，而有限差分法是一种直接将微分问题变为代数问题的近似数值解法，变量设置过于理想化。

(3)工程类比法：矿井开采条件存在差异，上覆岩层力学参数差异较大，类似矿井开采仅可作为借鉴，不能完全适用。

实践表明，以上三种确定边坡下煤柱宽度的方法并不能完全适用于边坡下近水平浅埋煤层工作面煤柱宽度的确定，而不合理的煤柱宽度容易引起地表边坡发生滑移形成地质灾害。

发明内容

本发明针对上述问题提供了一种边坡下近水平煤层工作面煤柱宽度确定方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案为：一种边坡下近水平煤层工作面煤柱宽度确定方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一、分析边坡下开采结构特征，建立边坡下开采结构力学模型ABCD，其中AB、BC为两个同倾向的滑面；

步骤二、过B点假想分界面，将滑体分为第一块体和第二块体，由几何关系导出第一块体重力W₁，第二块体重力W₂：

其中γ为体积力，L₁为AB长度，β₁为AB倾角，L₂为BC长度，H为断面高度，α为边坡坡角；

步骤三、计算第二块体的安全系数F₂；

步骤四、计算边坡煤柱宽度L₂；

所述计算第二块体的安全系数F₂的具体步骤包括：

2.1计算第一滑体受到基岩作用的摩阻力R₁；

假设边坡不受其他外力作用，第一块体受到基岩作用的摩阻力为：

其中，

为R₁与滑面AB法线方向夹角；

2.2计算第一块体对第二块体的作用力P₁与该作用力与水平方向夹角的θ；

作出第一块体的力平衡多边形，根据几何关系计算得出：

2.3计算第一块体的安全系数F₁，边坡安全系数F₁为边坡结构面抗滑力T_AB与下滑力Q_AB之比，即

T_AB由块体Ⅰ抗剪强度产生的抗滑力、P₁在AB方向上的作用力组成，

Q_AB由块体Ⅰ在AB上产生的下滑力、P₂在AB方向上的作用力组成，Q_AB＝W₁sinβ₁+P₂cos(β₁-θ)

2.4在近水平煤层边坡条件下，β₂＝0°，块体Ⅱ的安全系数F₂为：

所述计算边坡煤柱宽度L₂的具体步骤为：块体Ⅰ处于极限平衡状态，即F₂＝1,在滑体为刚体的情况下，作为一个整体，滑体的安全系数F＝F₁＝F₂＝1，

即：

在不考虑水力作用下，且P₁＝P₂，滑面BC长度L₂

本发明的有益效果是：

(1)本发明考虑了井工开采采动对边坡稳定性的影响，对实际条件下开采形成的结构空间，进行力学分析，最终确定的煤体宽度符合实际需求，误差小；

(2)本发明以井工开采采动形成的断裂裂缝和煤岩层面为滑面形成的滑体为确定其煤柱宽度的主体研究对象，将滑面抗滑力长度与煤柱宽度建立联系，计算过程简便；

(3)本发明分析得出边坡下井工开采保证边坡稳定所需的煤柱宽度，以合理的煤柱宽度来解决在边坡下近水平煤层开采过程中引起的边坡失稳问题，为边坡下安全高效开采提供新技术支持。

附图说明

图1为本发明所述一种边坡下近水平煤层工作面煤柱宽度确定方法的边坡下开采结构图；

图2为本发明所述一种边坡下近水平煤层工作面煤柱宽度确定方法的边坡下开采力学模型示意图；

图3为本发明所述一种边坡下近水平煤层工作面煤柱宽度确定方法的第一块体的力平衡多边形示意图；

图中，1、上覆岩体；2、周期垮落断面；3、采空区；4、回填区；5、坡面。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳的实施例，对依据本发明申请的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如下。

一种边坡下近水平煤层工作面煤柱宽度确定方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一、分析边坡下开采结构特征，建立边坡下开采结构力学模型ABCD，其中AB、BC为两个同倾向的滑面，分析边坡下开采结构特征，建立边坡下开采结构力学模型ABCD，如图1、2所示，其中AB、BC为两个同倾向的滑面；ABCD形成的不规则四边形为上覆岩体(1)；上覆岩体(1)的底部是采空区(3)，上覆岩体(1)及采空区(3)的左侧为回填区(4)，ABCD形成的不规则四边形的AB边表示为周期垮落断面(2)，ABCD形成的不规则四边形的CD边表示为坡面(5)。

模拟实验表明，浅21埋近水平煤层工作面开采后，上覆岩层发生周期性垮落，形成周期性垮落断面，断面裂缝发育至地表，上覆岩层整体形成“不规则四边形”结构，随着工作面的不断推进，断面周期性的前移，地表裂缝也随之向边坡坡肩位置靠近，边坡稳定性也随之降低。

当滑体比较完整，其内部无结构面时，可将滑体视为刚体进行计算。如图2所示，滑体ABCD中，AB、BC为两个同倾向的滑面，设AB的长度、倾角、粘聚力、内摩擦角分别为L₁、β₁、c₁、

BC的长度、倾角、粘聚力、内摩擦角分别为L₂、β₂、c₂、

步骤二、以过B点的假想分界面将滑体分为Ⅰ、Ⅱ两个部分，重力分别为W₁、W₂。由几何关系可以导出重力公式为：

其中，γ为体积力，H为断面高度，α为边坡坡角；

步骤三、计算第二块体的安全系数F₂；

在计算井工开采覆岩移动变形引起的边坡双面滑移稳定系数时，设P₁为第二块体对第一块体的作用力，P₂为第一块体对第二块体的作用力，则P₁、P₂大小相等，方向相反，力的作用方向与水平方向夹角为θ。假设边坡不受其他外力作用，第一块体受到基岩作用的摩阻力为：

R₁与AB法线方向夹角为

因此可以根据W₁、c₁L₁、R₁的大小及方向，作第一块体的力平衡多边形，如图3所示，即可求出P₁及θ大小，

水平方向：

竖直方向：

联立，可知：

边坡安全系数F₁为边坡结构面抗滑力T_AB与下滑力Q_AB之比，即

T_AB由块体Ⅰ抗剪强度产生的抗滑力、P₁在AB方向上的作用力组成，

Q_AB由块体Ⅰ在AB上产生的下滑力、P₂在AB方向上的作用力组成，Q_AB＝W₁sinβ₁+P₂cos(β₁-θ)

在近水平煤层边坡条件下，β₂＝0°，块体Ⅱ的安全系数F₂为：

T_BC由块体Ⅱ在BC面产生的抗滑力、P₁在BC方向上的作用力组成，故

Q_BC由块体Ⅱ在BC上产生的下滑力、P₂在BC方向上的作用力组成。

Q_BC＝W₂sinβ₂+P₂cosθ

因为BC面为水平面，β₂角度为0°，则Q_BC为P₂在BC方向上的作用力。

Q_BC＝P₂cosθ

根据图示受力分析可知，第一块体处于极限平衡状态下求得的，即隐含假定F₂＝1,在滑体为刚体的情况下，作为一个整体，滑体的安全系数应有F＝F₁＝F₂＝1的关系。

步骤四、计算边坡煤柱宽度L₂；

根据上式可知，在不考虑水力作用下，滑面BC长度对边坡稳定性系数有影响，其长度为：

因为P₁＝P₂，则

具体实施例，南梁煤矿位于陕北黄土高原北端与毛乌素沙漠南缘的接壤地带，属陕北侏罗纪煤田神府矿区，地处神木、府谷两县交界处黄羊城沟北侧的府谷县境内，为典型的黄土丘陵沟壑地貌，地形复杂，沟壑纵横，坎陡沟深，地表侵蚀强烈，在黄(红)土梁峁上局部被片沙覆盖，总体地势中部高而南北两界低，最低处位于煤矿西北界的白伙盘，海拨为1083m，最高处位于红草湾沟沟掌梁峁上，海拔1338m。南梁矿30101-1工作面地面位于井田西南角、小则沟北侧、小蒜沟煤矿东侧，井下位于3^-1煤层中央回风大巷西侧，30101工作面南侧，9号治理项目3^-1煤开采范围北侧(南边地表开采区开采的为3^-1煤，与30101-1工作面开采的为同一层煤)，采空区现已回填至略高于2号煤层标高，工作面煤层埋深118.43～142.01m，工作面煤层厚度1.8～2.03m，平均取2m，走向长度为1398.32m，倾向长度280m，面积391529.6m²，采用走向长壁一次采全高综合机械化开采。

工作面地质条件为α＝80°，β₁＝70°，β₂＝0°，c₁＝c₂＝50kpa，

γ＝25KN/m³，H＝30m，L₁＝31.91m，根据步骤二计算第一块体重力W₁得：W₁＝4087KN，计算第二块体重力的：

W₂＝(2L₂-5.29)×375KN

根据步骤三计算第一滑体受到基岩作用的摩阻力R₁；R₁＝3052KN，计算第一块体对第二块体的作用力P₁＝P₂＝1293KN，计算该作用力与水平方向夹角的θ＝38°,根据步骤四计算边坡煤柱宽度L₂＝3.29m。

根据现场生产实际几何尺寸要求，不考虑水力作用在该地质条件下边坡煤柱宽度留设为5m。

据上，理论计算方法与工程实践所得结论基本相符。可见，本专利所确定的边坡下近水平浅埋煤层工作面煤柱宽度方法具有可行性。

Claims (3)

1.一种边坡下近水平煤层工作面煤柱宽度确定方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一、分析边坡下开采结构特征，建立边坡下开采结构力学模型ABCD，其中AB、BC为两个同倾向的滑面；

步骤二、过B点假想分界面，将滑体分为第一块体和第二块体，计算第一块体重力W₁，第二块体重力W₂：

其中γ为体积力，L₁为AB长度，β₁为AB倾角，L₂为BC长度，H为断面高度，α为边坡坡角；

步骤三、计算第二块体的安全系数F₂；

步骤四、计算边坡煤柱宽度L₂。

2.根据权利要求1所述一种边坡下近水平煤层工作面煤柱宽度确定方法，其特征在于：所述计算第二块体的安全系数F₂的具体步骤包括：

2.1计算第一滑体受到基岩作用的摩阻力R₁；

假设边坡不受其他外力作用，第一块体受到基岩作用的摩阻力为：

其中，

为R₁与滑面AB法线方向夹角；W₁为第一块体重力；

2.2计算第一块体对第二块体的作用力P₁与该作用力与水平方向夹角的θ；

作出第一块体的力平衡多边形，根据几何关系计算得出：

2.3计算第一块体的安全系数F₁，边坡安全系数F₁为边坡结构面抗滑力T_AB与下滑力Q_AB之比，即

T_AB由块体Ⅰ抗剪强度产生的抗滑力、P₁在AB方向上的作用力组成，

Q_AB由块体Ⅰ在AB上产生的下滑力、P₂在AB方向上的作用力组成，Q_AB＝W₁sinβ₁+P₂cos(β₁-θ)

2.4在近水平煤层边坡条件下，β₂＝0°，块体Ⅱ的安全系数F₂为：

其中，L₁、β₁、c₁、

分别为滑面AB的长度、倾角、粘聚力、内摩擦角；L₂、β₂、c₂、

分别为BC的长度、倾角、粘聚力、内摩擦角。

3.根据权利要求1所述一种边坡下近水平煤层工作面煤柱宽度确定方法，其特征在于：所述计算边坡煤柱宽度L₂的具体步骤为：块体Ⅰ处于极限平衡状态，即F₂＝1,在滑体为刚体的情况下，作为一个整体，滑体的安全系数F＝F₁＝F₂＝1，

即：

在不考虑水力作用下，且P₁＝P₂，滑面BC长度L₂:

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