豫北鶴園某礦區煤場結構穩定性分析

申東東++孟亞峰

摘 要：煤礦礦區的安全和地下支撐的結構有很大關系，為了最大程度的保障采礦人員的人身安全和設備安全，該文通過數值模擬、優化模擬、理論計算等方法，對簡化采礦作業面結構、礦頂結構分析、礦頂支柱參數優化等方面進行了深入的探討，得到了與實際誤差極小的礦區結構方案。為了確保深部礦巖安全高效地開采，有必要針對采場的結構參數與穩定性進行科學合理地分析研究。

關鍵詞：煤礦 數值模擬 優化 分析 參數

中圖分類號：TU75 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）04（a）-0203-03

Certain North of HeNan Mining Area Coal Structure Stability Analysis

Abstract：Coal mine safety and underground support structure has a great relationship， to the greatest degree guarantee mining personnel and equipment safety， through the numerical simulation， optimization simulation and theoretical calculation method， to simplify the mining work surface structure， mine roof structure analysis， mine roof pillar parameter optimization were discussed， and the actual error minimum mining structure scheme. In order to ensure the safe and efficient mining of deep ore， it is necessary to analyze and study the structural parameters and stability of stope.

Key Words：Coal mine；Numerical simulation；Optimizing；Analysis；Parameter

礦產資源始終是人類發展的基石，不管是作為戰略物資的儲備還是為了滿足國計民生的各項需求，人們對于有限的資源的爭奪已經到了白熱化的地步，如何在采礦過程中保證操作人員及設備的安全成為了我們研究的課題方向，以下我們就來探討一下煤礦采場結構的安全穩定性。為了確保深部礦巖安全高效地開采，有必要針對采場的結構參數與穩定性進行科學合理地分析研究。

1 礦采區頂面結構分析

在煤礦開采過程中，需要對已采區進行固頂處理，一般情況下，我們用加固頂板的方式進行頂面強化，頂面下部采用支柱支撐，由于已采區頂面的壓力和頂板自身的重力，迫使頂板產生向下的運動趨勢，并因此產生彎矩作用，另外，在支柱與頂面接觸的支撐區域還存在較大的集中應力。合理的確定支柱的截面尺寸和支柱間距對于優化支柱參數有重大意義，可以極大的降低支柱對于頂板的壓應力和剪切應力。

我們用簡化的數學模型來近似的代替采空區的結構，如圖1所示。主要參數有支柱的截面積、支柱的橫向和縱向間距。在布置支柱時，盡量采用均勻布置的方式，使得頂板各處的受力趨向等值。在數學模型中，由于支柱的截面積相對于支柱間距要小很多，所以在力分析處理時，把支柱對頂板的力視為一點，則可得：支柱與頂板處的接觸點撓度為零，其余各處的撓度不為零。撓度計算公式為：，式中，為頂板撓度，為頂板的泊松比，E為頂板的彈性模量，h為頂板的厚度（m），此模型的撓度可表示為：，當取的特征點接近兩支柱中點時，特解和齊次解應滿足邊界條件：

特解：，

齊次解：

=

求解得到、分別為：

，

這里，

得到：

由上面最后一個邊界條件得到：

由于把支柱與頂板的接觸面看作一個點，用上述公式將得到小誤差的頂板撓度和來自于支柱的支反力，而在支柱與頂板的接觸點上，由于前提假設的存在，支反力將無窮大。

經過計算，在表1中，列出了一些特殊點上的彎矩數值。

表1中得到的數值是在一定條件下得到的，根據前提假設，理論計算值和頂板的實際受力將非常接近，為施工提供了有效參考。

2 支柱失衡分析

當礦采區處于水平或者傾斜狀態時，每個支柱所要承擔的載荷F如表2所示，L為礦脈水平長度，H為礦脈采空區頂板以上的高度。F為每個支柱所承受的撓度

由此得出，礦脈縱深越大，礦脈采空區上方的頂層質量就越大，支柱承受的載荷就越趨于平均值，反之，支柱就承擔更大的載荷。

支柱的臨界失衡條件可用公式表示，n為支柱的安全系數，為支柱的強度，為支柱的內部應力，n大于1時，支柱穩定，n小于1時，支柱失衡。

在進行支柱參數優化時，應該把礦藏土質的非均勻密度作為重要的因素考慮，這種因素會導致相同尺寸的支柱受力不均，這就導致當頂板產生較大的彎矩或者向下的位移時，會有部分支柱先達到許用的最大應力而提前壓潰。當兩個尺寸一樣的支柱合并成一個較大支柱時，較大支柱所產生的最大應力會遠遠大于兩個小支柱的許用應力之和，因此，為提高支柱穩定性和擴大回采率，應適當增加較大支柱的數量。

3 支柱受水平應力的因素分析

采空區的結構可以用圖2的數學模型表示，從地表到采空區頂板之間的自重為垂直載荷，可表示為：，水平應力為：。

考慮到礦脈開采過程中產生的震動影響，頂板的受力情況也隨之變化，所有支柱的垂直載荷就等于頂板以上所有部分的重量，則每條支柱的均載荷為，根據力學定律，頂板受來自支柱的應力為：

其中，a為支柱截面的長度，l為兩支柱之間的距離。可見，在支柱頂面的受力非常不均勻，我們用雙曲線型應力函數來表示：

其中，，n是整數，是常數。

求得的支柱頂面各應力為：

其中，。

兩端固定的簡支梁，其最大彎矩發生在中間位置，將中間位置的帶入上式得到水平應力為：

從上式中可以得到，當時，水平應力最大，其最大值為

結合上述公式代入可得到最大水平應力為：

其中，

當支柱長度等于支柱間距時，也就是礦脈處于未采狀態時，，等于原始礦層應力，驗證了推倒與實際的一致性，當時，

式中的

所以。

從以上推導得出結論：頂板的水平應力會隨著的增大而減小，且當時，水平應力會變為正值成為垂直應力，為支撐頂板提供了額外的力，對于這類礦脈而言，開采是有利的。

4 結語

支柱的數量和礦床的長度和承載的礦頂的質量的比值有關，適當的增加較大支柱的數量可以有效改善支撐質量；最大礦頂彎矩發生在兩支柱中間部位；當系數時，水平應力會變為垂直應力，能有效改善開采的安全性。

參考文獻

[1] 崔文祥，符如康，等.煤礦綜采工作面安全高效回撤裝備關鍵技術研究與應用[J].煤礦機械，2015（9）：91-92.

[2] 齊應杰，王曉光.綜采工作面安全監控系統的設計與實現[J].煤礦機械，2015（6）：56-58.

[3] 吳法春.緩傾斜礦體回采時礦柱設計與巖石力學[J].有色金屬（礦山部分），2002，54（5）：19-20.