CN112131732A - 基于可变荷载作用的刀柱法残采区稳定性分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于残余煤炭开采技术领域，具体涉及一种基于可变荷载作用的刀柱法残采区稳定性分析方法。包括以下步骤：S1、获取根据矿井地质资料和开采资料，并确定矿井开采参数；S2、利用钻孔窥视和钻孔取芯的方法，通过实验确定岩层间的岩层组成、结构及物理力学参数，测量得到直接顶关键岩层抗压强度、剪切强度、弹性模量和惯性矩，以及煤柱的抗压强度、弹性模量和惯性矩；S3、根据矿井地质资料和开采参数，以及直接顶关键岩层和煤柱的弹性模量和惯性矩，计算直接顶关键岩层所承受的最大剪切应力、最大正应力和煤柱所承受的最大正应力；S4、根据上述计算和实验判断刀柱残采区上部遗留煤层是否可采。本发明可提高残采区煤的开采率，增加产量。

Description

基于可变荷载作用的刀柱法残采区稳定性分析方法

技术领域

本发明属于残余煤炭开采技术领域，具体涉及一种基于可变荷载作用的刀柱法残采区稳定性分析方法。

背景技术

由于历史背景及开采技术的限制，早期大量采用刀柱法开采优质的煤炭资源，形成了大量的刀柱采空区。煤炭资源是以煤层群为主要赋存形式，在刀柱采空区上部存在大量的遗留煤炭资源。这些残采区上部遗留煤层储量可观，达400亿吨，且多为优质稀缺资源，具有良好的开采价值和经济效益。

残采区上部遗留煤层开采的关键是判断刀柱采空区内的遗留煤柱和刀柱采空区顶板稳定性。现有残采区刀柱上部遗留煤层开采对刀柱煤柱及其直接顶关键岩层稳定性判定方法是依照长壁开采工作面承压方式，利用围岩平衡法和采高倍数法进行估算，然后判定刀柱煤柱及其顶板的岩层稳定性，方法基本都是围绕上下煤层间距和上层煤采厚进行的。此外，也有考虑上部采动影响，判定刀柱煤柱及其顶板的岩层稳定性的方法，但是其力学模型只考虑了移动荷载在两刀柱煤柱之间运动，导致对刀柱煤柱稳定性判定不准确。模型及约束条件的不足，现有方法尚存在以下几个方面的不足：

(1)适应性弱、容易误判。上述方法是基于长壁工作面开采提出的，对于刀柱残采区的稳定性判定适用性不强，仅停留在定性的经验层面，容易出现误判，不能满足生产实践的要求。

(2)过渡简化、无法定量。现有力学模型将采动影响简化为均布荷载，且只考虑了移动荷载在两刀柱煤柱之间运动，而扰动荷载是造成煤柱和层间岩层系统失稳的重要因素之一，导致对刀柱煤柱稳定性判定不准确，且没有给出稳定性的定量判定公式。

(3)模型简单、存在缺陷。现有刀柱采煤法稳定性判定方法对直接顶关键岩层和煤柱的受力状况考虑不全面，只考虑影响强度稳定性的轴力，忽略了对岩层和煤柱影响刚度稳定性的剪力和弯矩的分析。

为了解决遗留刀柱煤柱及其直接顶关键岩层稳定性判定模型存在缺陷、判定不准确、实际应用过程中容易误判的问题，本发明提出了一种基于可变荷载作用的刀柱法残采区稳定性分析方法。

发明内容

为了避免经验估算法的错误结果与实际相差过大，导致产生严重的安全后果，本发明克服现有技术存在的不足，充分地考虑上覆岩层的均布荷载和在开采煤层上部的可变荷载对刀柱法残余采矿工作区产生的扰动破坏作用，提供了一种基于可变荷载作用的刀柱法残采区稳定性分析方法，其通过计算扰动对煤柱和岩层作用是否会达到其对应的强度极限发生破坏来判断是否可以开采，以此提高安全开采可行性判断的准确率。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：基于可变荷载作用的刀柱法残采区稳定性分析方法，包括以下步骤：

S1、获取根据矿井地质资料和开采资料，并确定矿井开采参数；

S2、利用钻孔窥视和钻孔取芯的方法，通过实验确定岩层间的岩层组成、结构及物理力学参数，测量得到直接顶关键岩层抗压强度、剪切强度、弹性模量和惯性矩，以及煤柱的抗压强度、弹性模量和惯性矩；

S3、根据矿井地质资料和开采参数，以及直接顶关键岩层和煤柱的弹性模量、静距和惯性矩，计算直接顶关键岩层所承受的最大剪切应力τ_max1和直接顶关键岩层所承受的最大正应力σ_max1，同时计算煤柱所承受的最大正应力σ_max2；

S4、比较直接顶关键岩层所承受的最大剪切应力τ_max1是否小于步骤S2中实验测得的直接顶关键岩层的剪切强度，直接顶关键岩层所承受的最大正应力σ_max1是否小于步骤S2中实验测得的直接顶关键岩层的抗压强度，以及煤柱所承受的最大正应力σ_max2是否小于步骤S2中试验测得的煤柱的抗压强度；若均为是，则判定控制岩层保持稳定，刀柱残采区上部遗留煤层不可采，若其中一个为否，则判定控制岩层失稳，刀柱残采区上部遗留煤层不可采。

所述步骤S3中，计算直接顶关键岩层所承受的最大剪切应力τ_max1和直接顶关键岩层所承受的最大正应力σ_max1的计算公式为：

计算煤柱所承受的最大正应力σ_max2的计算公式为：

其中，b₁表示直接顶关键岩层横截面的截面宽度，h₁表示直接顶关键岩层横截面的截面高度，E₁、E₂分别表示直接顶关键岩层和煤柱的弹性模量；I₁、I₂分别表示直接顶关键岩层和煤柱的惯性矩；L表示两个煤柱之间的工作面长度；l'表示留设煤柱的高度；b₂表示煤柱横截面的截面宽度，h₂表示煤柱横截面的截面高度，q表示直接顶关键岩层所承受均布荷载集度；q'表示可变荷载集度；a表示来压产生的可变荷载的作用范围。

所述步骤S1中，确定的矿井开采参数包括：两个煤柱之间的工作面长度L、留设煤柱的高度l'、煤柱横截面的截面宽度b₂、煤柱横截面的截面高度h₂、直接顶关键岩层所承受均布荷载集度q、可变荷载集度q’和来压产生的可变荷载的作用范围a。

所述步骤S3中，计算直接顶关键岩层所承受的最大剪切应力τ_max1、直接顶关键岩层所承受的最大正应力σ_max1和计算煤柱所承受的最大正应力σ_max2的具体步骤为：

先分别计算覆岩层荷载下煤柱和直接顶关键岩层所承受的压力、剪力和弯矩的大小，以及可变荷载作用下煤柱和直接顶关键岩层在的受力情况；

然后根据叠加定理进行叠加计算得到移动静扰动加卸载和上覆岩层荷载共同加载下煤柱和直接顶关键岩层的受力；

最后根据材料力学的材料的弯曲应力公式计算得到直接顶关键岩层所承受的最大剪切应力τ_max1、直接顶关键岩层所承受的最大正应力σ_max1和计算煤柱所承受的最大正应力σ_max2。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

(1)本发明提供的适用于刀柱残采区开采过程直接顶关键岩层和煤柱稳定性的判定模型，充分考虑上部遗留煤层开采时产生的可变荷载作用对刀柱残采区遗留煤柱和层间岩层系统的作用，给出了开采可行性的定量判定公式，并有效避免经验性方法的判定误差，提高了开采可行性判定的准确度；

(2)本发明的实践应用可以提高多方面、多指标地对稳定性进行分析判定，能够相对精确地控制岩层和煤柱，与传统判定方法在有效控制的前提下，使留设的煤柱量大大减少，提高残采区煤的开采率，增加产量。

附图说明

图1为刀柱法残采区的结构示意图；

图2为本发明实施例中直接顶关键岩层和煤柱力学模型的受力简图；

图中：1为刀柱残采区煤柱，2为残采区煤层底板，3为直接顶关键岩层，4为残采区上部可利用煤层。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1～2所示，本发明实施例提供了一种基于可变荷载作用的刀柱法残采区稳定性分析方法，其适用于动扰可变荷载加卸载和上覆岩层荷载共同作用的矿井工况，包括以下步骤：

S1、获取根据矿井地质资料和开采资料，并确定矿井开采参数；

具体地，需要确定的矿井开采参数包括：两个煤柱之间的工作面长度L、留设煤柱的高度l'、直接顶岩层轴截面的截面宽度b₁、直接顶关键岩层轴截面的截面高度h₁、煤柱轴截面的截面宽度b₂、煤柱轴截面的截面高度h₂、直接顶关键岩层所承受的均布荷载集度q、由初次来压所产生的可变荷载集度q’和来压产生的可变荷载的作用范围a。

S2、利用钻孔窥视和钻孔取芯的方法，通过室内实验室测试确定岩层间的岩层组成、结构及物理力学参数，实验得到直接顶关键岩层抗压强度、剪切强度、弹性模量和惯性矩，以及煤柱的抗压强度、弹性模量和惯性矩。

S3、根据矿井地质资料和开采参数，以及直接顶关键岩层和煤柱的弹性模量和惯性矩，计算直接顶关键岩层所承受的最大剪切应力τ_max1和直接顶关键岩层所承受的最大正应力σ_max1，同时计算煤柱所承受的最大正应力σ_max2。

其中，计算直接顶关键岩层所承受的最大剪切应力τ_max1、直接顶关键岩层所承受的最大正应力σ_max1和计算煤柱所承受的最大正应力σ_max2的具体步骤为：先分别计算覆岩层荷载下煤柱和直接顶关键岩层所承受的压力、剪力和弯矩的大小，以及移动荷载作用下煤柱和直接顶关键岩层在的受力情况，然后根据叠加定理进行叠加计算得到移动静扰动加卸载和上覆岩层荷载共同加载下煤柱和直接顶关键岩层的受力；最后根据材料力学的材料的弯曲应力公式计算得到直接顶关键岩层所承受的最大剪切应力τ_max1、直接顶关键岩层所承受的最大正应力σ_max1和计算煤柱所承受的最大正应力σ_max2。

简化刀柱法遗留煤层开采时的受力模型，计算可变荷载和上覆岩层的重力荷载对直接顶关键岩层和煤柱作用集度，得到直接顶关键岩层所承受的均布荷载集度q和由初次来压所产生的可变荷载集度q’；假设矿井工况属于只有上覆岩层荷载的加载类型，则根据结构力学结果，有：

其中，X_N1表示仅承受均布荷载作用时直接顶关键岩层所受轴力；M_R1表示仅承受均布荷载作用时直接顶关键岩层模型所受弯矩；X_S1表示仅承受均布荷载作用时直接顶关键岩层所受最大剪力；F_C1表示仅承受均布荷载作用时煤柱所承受的轴力；E₁、E₂分别表示直接顶关键岩层和煤柱的弹性模量；I₁、I₂分别表示直接顶关键岩层和煤柱的惯性矩；L表示两个留设煤柱之间的工作面长度；l'表示留设煤柱的高度，即工作面的高度；q表示直接顶关键岩层所承受的均布荷载集度。

因此，根据式(1)可以计算出覆岩层荷载下煤柱和直接顶关键岩层所承受的压力、剪力和弯矩的大小。

假设工况为矿井工况为移动静扰动加卸载和上覆岩层荷载共同加载类型，则可以分别计算先通过(1)式计算出覆岩层荷载下煤柱和直接顶关键岩层所承受的压力、剪力和弯矩的大小，然后再计算仅承受来压产生的可变荷载情况下的煤柱轴力和直接顶关键岩层所受的剪力、轴力及其弯矩，计算结果为：

其中，X_S2表示可变荷载作用下直接顶关键岩层所受最大剪力；M_M表示可变荷载作用下煤柱所受到的弯矩；M_R2表示可变荷载作用下直接顶关键岩层所承受的弯矩；q'表示可变荷载集度；a表示来压产生的可变荷载的作用范围。

根据对模型的力学简化，上述直接顶关键岩层和煤柱均为完全线弹性体，由叠加定理叠加得到其相应受力情况，其结果如下：

式中，X_N表示直接顶关键岩层模型所受轴力；X_S表示直接顶关键岩层所受最大剪力；F_C表示煤柱所承受的轴力；M_R表示直接顶关键岩层模型所受弯矩；M_M表示可变荷载作用下煤柱所受到的弯矩。

材料力学中，材料的应力计算公式为：

其中，σ_b、σ_n分别是材料的弯曲正应力、正向轴应力；τ_b是材料的弯曲切应力。

其中，W表示材料抗弯模量，W＝bh²/6；M_max表示材料承受最大弯矩；F_Q是材料受到的剪切力，F_n是材料受到的轴向力；

表示直接顶关键岩层的中性面的静距，

I_Z表示直接顶关键岩层的横截面对中性轴的惯性矩，I_Z＝bh³；b表示顶岩层的横截面宽度，h表示横截面长度，因此式(5)可以变换成：

在这里，M_max是材料承受的最大弯矩，对于直接顶关键岩层，其承受的最大弯矩就是M_R，其承受的最大弯矩就是M_M；因此，直接顶关键岩层承受的最大正应力等于弯矩M_R产生的弯曲正应力与轴力X_N的轴正应力之和；煤柱承受的最大正应力等于弯矩M_R产生的弯曲正应力与轴力F_C的轴正应力之和。且煤柱和直接顶关键岩层的轴向力产生轴向正应力，其计算公式为：

σ_n＝F_n/S＝F_n/bh；(7)

根据式(6)、(7)和式(4)，可以知道，对于根据直接顶关键岩层和煤柱，分别有：

因此，将(3)式带入(8)式，有：

其中，τ_max1表示直接顶关键岩层所承受的最大剪切应力，σ_max1表示直接顶关键岩层所承受的最大正应力；σ_max2表示煤柱所承受的最大正应力。b₁表示直接顶关键岩层横截面的截面宽度，h₁直接顶关键岩层横截面的截面高度；b₂表示煤柱横截面的截面宽度，h₂表示煤柱横截面的截面高度；也就是说，在步骤S1和步骤S2的基础上，直接通过式(9)和式(10)，可以计算得到直接顶关键岩层所承受的最大剪切应力，最大正应力和煤柱所承受的最大正应力的值。

S4、比较直接顶关键岩层所承受的最大剪切应力τ_max1是否小于步骤S2中实验测得的直接顶关键岩层的剪切强度，直接顶关键岩层所承受的最大正应力σ_max1是否小于步骤S2中实验测得的直接顶关键岩层的抗压强度，以及煤柱所承受的最大正应力σ_max2是否小于步骤S2中试验测得的煤柱的抗压强度；若均为是，则判定控制岩层保持稳定，刀柱残采区上部遗留煤层不可采，若其中一个为否，则判定控制岩层失稳，刀柱残采区上部遗留煤层不可采。

本实施例中，通过实验室实验测得的直接顶关键岩层的剪切强度和剪切强度与最大剪切应力τ_max1和最大正应力σ_max1进行比较，可以判定直接顶关键岩层强度的稳定性；由于本煤柱的剪力对本判定影响不大，可以忽略去不计，故用上述结果的σ_max2与步骤S2通过实验测得的直接顶关键岩层所承受最大的正应力进行比较判定煤柱强度的稳定性；

本发明提供了一种基于可变荷载作用的刀柱法残采区稳定性分析方法，适用于刀柱残采区开采过程直接顶关键岩层和煤柱稳定性的判定模型，充分考虑上部遗留煤层开采时产生的可变荷载作用对刀柱残采区遗留煤柱和层间岩层系统的作用，给出了开采可行性的定量判定公式，并有效避免经验性方法的判定误差，提高了开采可行性判定的准确度；本发明的实践应用可以提高多方面、多指标地对稳定性进行分析判定，能够相对精确地控制岩层和煤柱，与传统判定方法在有效控制的前提下，使留设的煤柱量大大减少，提高残采区煤的开采率，增加产量。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (4)

1.基于可变荷载作用的刀柱法残采区稳定性分析方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、获取根据矿井地质资料和开采资料，并确定矿井开采参数；

S2、利用钻孔窥视和钻孔取芯的方法，通过实验确定岩层间的岩层组成、结构及物理力学参数，测量得到直接顶关键岩层抗压强度、剪切强度、弹性模量和惯性矩，以及煤柱的抗压强度、弹性模量和惯性矩；

S3、根据矿井地质资料和开采参数，以及直接顶关键岩层和煤柱的弹性模量和惯性矩，计算直接顶关键岩层所承受的最大剪切应力τ_max1和直接顶关键岩层所承受的最大正应力σ_max1，同时计算煤柱所承受的最大正应力σ_max2；

S4、比较直接顶关键岩层所承受的最大剪切应力τ_max1是否小于步骤S2中实验测得的直接顶关键岩层的剪切强度，直接顶关键岩层所承受的最大正应力σ_max1是否小于步骤S2中实验测得的直接顶关键岩层的抗压强度，以及煤柱所承受的最大正应力σ_max2是否小于步骤S2中试验测得的煤柱的抗压强度；若均为是，则判定控制岩层保持稳定，刀柱残采区上部遗留煤层不可采，若其中一个为否，则判定控制岩层失稳，刀柱残采区上部遗留煤层不可采。

2.根据权利要求1所述的基于可变荷载作用的刀柱法残采区稳定性分析方法，其特征在于，所述步骤S3中，计算直接顶关键岩层所承受的最大剪切应力τ_max1和直接顶关键岩层所承受的最大正应力σ_max1的计算公式为：

计算煤柱所承受的最大正应力σ_max2的计算公式为：

其中，b₁表示直接顶关键岩层横截面的截面宽度，h₁表示直接顶关键岩层横截面的截面高度，E₁、E₂分别表示直接顶关键岩层和煤柱的弹性模量；I₁、I₂分别表示直接顶关键岩层和煤柱的惯性矩；L表示两个煤柱之间的工作面长度；l'表示留设煤柱的高度；b₂表示煤柱横截面的截面宽度，h₂表示煤柱横截面的截面高度，q表示直接顶关键岩层所承受均布荷载集度；q'表示可变荷载集度；a表示来压产生的可变荷载的作用范围。

3.根据权利要求1所述的基于可变荷载作用的刀柱法残采区稳定性分析方法，其特征在于，所述步骤S1中，确定的矿井开采参数包括：两个煤柱之间的工作面长度L、留设煤柱的高度l'、煤柱横截面的截面宽度b₂、煤柱横截面的截面高度h₂、直接顶关键岩层所承受均布荷载集度q、可变荷载集度q’和来压产生的可变荷载的作用范围a。

4.根据权利要求1所述的基于可变荷载作用的刀柱法残采区稳定性分析方法，其特征在于，所述步骤S3中，计算直接顶关键岩层所承受的最大剪切应力τ_max1、直接顶关键岩层所承受的最大正应力σ_max1和计算煤柱所承受的最大正应力σ_max2的具体步骤为：

先分别计算覆岩层荷载下煤柱和直接顶关键岩层所承受的压力、剪力和弯矩的大小，以及可变荷载作用下煤柱和直接顶关键岩层在的受力情况；

然后根据叠加定理进行叠加计算得到移动静扰动加卸载和上覆岩层荷载共同加载下煤柱和直接顶关键岩层的受力；

最后根据材料力学的材料的弯曲应力公式计算得到直接顶关键岩层所承受的最大剪切应力τ_max1、直接顶关键岩层所承受的最大正应力σ_max1和计算煤柱所承受的最大正应力σ_max2。

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