条带开采沉陷主控因素分析及设计对策.pdf

煤矿开栗2000年12月
系芾开采沉陷主围素分衍殷设针i寸笨

(1．煤⋯炭科学⋯研究总院北京开采研茹百j1商i盏三_南⋯矿业集⋯团公司⋯，安徽⋯淮南23300I)几a’

[摘要】文章从力学舟析出发，导出了每带开采沉陷的解分析丁条带开采沉陷主／
素对开采沉陷的影响。通过正交试验和条带开呆沉陷主控因素排队．提出了一些条带开采设计对策。

[中圈分类号]删．6【文献标识码]乏A[芟覃§】5(巍缅0b4-∞缸哺。，

条带开采是减少麟沉陷的一种十分有效的技勖带锵，
术措施。而控制条带开采沉陷的主要因素有开采深式中，为z向原始荷载；y为上覆岩层平均荷
度，煤层、顶板和底板的弹性模量和泊松比，以及重；日为平均开采深度。
反映采场几何特征的冒落带高度、采出厚度和采出由采前，y和：方向的煤层内单元的原始应
率。以下就从力学分析出发，把条带开采、岩层移变和平面应变协调方程E=E=0得，向和向
动和地表沉陷三者结合起来，导出条带开采沉陷的的原始应力和煤层在铅垂方向的原始应变分别为
力学表达式，分析主控因素对开采沉陷的影响，并
利用主控因素对开采沉陷的敏感性，提出了一些条。p：％
带开采设计对策。
一一!=!=丝：
‘曲一l一E
1地表开采沉陷力学计算
开采后，一方面采出条带上覆岩层荷重向条带
1．1煤(岩)柱压缩煤柱上方转嫁；另一方面，所留设的煤柱应力状
图l为条带开采简化模型，条带采出宽度为态，由采前的三向应力退化为二向应力。此时，
6，留设条带煤柱宽为a，煤层厚度。并记：煤向煤柱平均应力为
柱的弹性模量和泊松比分别为E和；顶板弹性
模量和泊松比分别为E和；底板的弹性模量和
由采后边界条件和协调方程d=0和E=0，
泊松比分别为和fc
解出

口c’d
从而，可求得采后铅垂方向的煤柱应变为

e。=(1一c2)

因此，由于条带开采而引起的留设煤柱上的压
缩量为
1=(￡一E)’肘
如果顶板较软弱破碎或采出宽度较大，而顶板
图1枭带开呆简化模型
叉未进行适当的支护，此时顶板会出现不同程度的
失稳冒落，形成一定的冒落高度。假定失稳冒落破
开采前，煤层处于原始应力平衡状态，自重铅
坏区的形态和冒落矸石堆积形态，为近似矩形的拱
垂荷载为

[收翦日期】舢一∞一24
[怍者筒介】胡炳南(196。一)，浙江金华人，高级工程师。1982年毕业于淮南矿业学院，l9年北京科技大学硕士毕业，1998年在美国sIU
留学进修。现从事特殊条件下采谋方法研究。

2G00年第4期(总第4l期)煤矿开采加∞年12月

形分布，如图2，又鉴于条带开采中的采动程度不人底椒量为
大，顶板冒落不会充分因此，冒落矸石既不会接
顶对上覆岩层产生支撑作用，也不能填实煤柱侧矾=·2n·【(1n詈)+ln2+】··坩
边。相反地，由于顶板冒落却增加了与冒落带高度1．4地表开采沉陷
h相同的岩柱的压缩量。其岩柱采前、采后的压缩地表开采沉陷是地下围岩岩层移动不断向上传
变形e，e和条采引起的压缩量分别为播、到达地表后在地面上的反映。在条带开采中，
地表开采沉路应是采后煤(岩)柱上集中应力所引
一二!=旦
一1一Er起的煤(岩)柱压缩量、煤(岩)柱压人顶板量和
煤柱压人底板量3个部分组成。在采出条带宽度内
e=(1-)
顶板稳定不冒落时，地表开采沉陷总量-为

=(￡一￡)hWt=【+十

=【(1_··一·翻·+
·2·(In+J+1)·詈一yH+
．tl≈

·
__——《墨再矗_一l(In+11】2+1)·÷·
≈I在采出条带宽度内顶板失稳冒落后．地表开采
沉陷总量为
=+++啊
田2条带开采顶扳冒落状态

=【(1_一·一·]·+
1．2煤(岩)柱压入顶板量
利用弹性理论半空间体受条带均布载荷作用时[(1_··一·]⋯
沉陷问题的位移解，如图3。设有一均匀载荷q分

·
布在半空间体平面边界上，载荷宽度为a，无限长(Ins+J+I)·詈·yH+

度。则载荷中点处的沉陷量表达式为s
一(In
。+l112川·音·
：In()dx
2地表开采沉陷主控因素分析

2．1弹性模量
地表开采沉陷与煤柱和顶底板岩层的弹性模量
均呈分式函数关系。弹性模量小意味着煤层和顶底
板松款，此时，在相同外力作用下，会产生比较大
的煤柱压缩和顶底板岩层压入，所以，地表开采沉
蹈变大。相反，对于弹性模量大的坚硬煤层和顶底
图3条带均布戢荷作用下位移求解板岩层，地表开采沉陷相应减小。
在计算中，把因条带开采引起的采动沉陷简化2．2泊松比
为采后载荷减去采前载荷的差值所引起的沉陷，并由于煤层和顶底板泊松比的取值范围变化较
取零采动沉陷点距开采边界距离为开采深度的小，加之，其变化对开采沉陷值影响也较小．所
I／2，故顶板压入量为以，总体地说，煤柱和顶底板泊松比对开采沉陷的
影响均不十分明显。值得指