淺埋房式殘留煤柱失穩(wěn)致災機制及防控

淺埋煤層具有埋藏淺、基巖薄、上覆松散層厚的地質(zhì)特征，與普通煤層開采礦壓顯現(xiàn)特征不同。神東煤田淺埋煤層存在大量房式采空區(qū)，在其下近距離煤層進行長壁開采出現(xiàn)了覆巖裂隙導通地表、頂板切冒、支架壓死、頂板大面積沖擊式垮落、房式采空區(qū)及鄰近下煤層颶風等災害，已成為制約淺埋煤層安全高效開采的突出難題。目前國內(nèi)外學者對煤柱合理尺寸及穩(wěn)定性開展研究較多，但對采動影響下淺埋房式殘留煤柱失穩(wěn)致災機制研究較少。因此，本項目以淺埋煤層房式采空區(qū)殘留煤柱及其下方長壁開采為研究對象，開展了以下研究：①在石圪臺煤礦等淺埋煤層采取了煤體和巖體樣品，在巖石力學控制實驗室利用MTS815.02電液伺服巖石力學實驗系統(tǒng)完成了煤巖塊的測試工作，得到了煤巖體的物理力學參數(shù)等特征；②提出了房式煤柱穩(wěn)定性控制模型，基于能量理論采用FLAC3D數(shù)值模擬分析了煤柱、頂板能量演化規(guī)律及其影響穩(wěn)定性的主要因素；③進行了淺埋煤層采空區(qū)下長壁開采覆巖結(jié)構及支架承載特征理論分析，建立了“基本頂—殘留煤柱—直接頂—支架”系統(tǒng)結(jié)構模型，揭示了淺埋房式殘留煤柱下近距離煤層開采支架壓死機理，提出了液壓支架合理工作阻力確定方法；④通過物理模擬和3DEC數(shù)值模擬研究了淺埋房式采空區(qū)下近距離煤層長壁開采覆巖運動規(guī)律及安全開采技術；⑤采用理論分析、物理模擬和UDEC數(shù)值分析方法，研究了沖溝地貌下淺埋煤層開采覆巖運動及裂隙演化規(guī)律及頂板控制技術；⑥為防止房式采空區(qū)下近距離煤層初采期間發(fā)生頂板大面積來壓沖擊事故，提出了切眼穿采空區(qū)深孔預裂爆破強制放頂方法，采用LS-DYNA3D進行了淺埋煤層深孔預裂爆破強制放頂機理研究，并提出了合理控制采高、注砂充填煤房、適當加快推進速度等防控方法，現(xiàn)場應用取得了良好效果。淺埋房式殘留煤柱失穩(wěn)致災及防控機制研究為確保淺埋房式采空區(qū)下近距離煤層安全高效高回收率開采提供了科學依據(jù)，對西北礦區(qū)復雜條件下淺埋煤層安全高效綠色開采具有重要意義。 2100433B

神東煤田存在大量淺埋房式采空區(qū)，在其下近距離煤層進行長壁開采出現(xiàn)了直接頂切冒、支架壓死、頂板大面積沖擊式垮落、房式采空區(qū)及鄰近下煤層颶風等災害，已成為制約淺埋煤層安全高效開采的突出難題。目前國內(nèi)外學者對煤柱合理尺寸及穩(wěn)定性開展研究較多，但對采動影響下淺埋房式殘留煤柱失穩(wěn)致災機制研究較少。因此，本項目以淺埋煤層房式采空區(qū)殘留煤柱及其下方長壁開采為研究對象，通過建立基本頂-殘留煤柱-直接頂-支架系統(tǒng)尖點突變模型，深入研究房式殘留煤柱受下煤層采動影響時的應力分布及能量演化規(guī)律，建立煤柱群穩(wěn)定性多因素綜合判據(jù)，從而為研究房式采空區(qū)個別煤柱及大面積煤柱群失穩(wěn)、殘留煤柱下直接頂切冒及支架壓死災害等提供理論依據(jù)；分析導致房式殘留煤柱失穩(wěn)的關鍵指標，進而提出煤柱群大面積失穩(wěn)致災的針對性防控技術，結(jié)合現(xiàn)場條件進行工業(yè)性試驗，確保淺埋房式采空區(qū)下近距離煤層安全高效高回收率開采。

我國西北礦區(qū)地表沖溝發(fā)育的地形地貌導致淺埋煤層長壁開采工作面礦壓顯現(xiàn)呈現(xiàn)出新的特征，由此影響礦井安全高效生產(chǎn)的現(xiàn)象普遍存在。本項目以淺埋煤層采動覆巖為研究對象，基于典型沖溝采動坡體物質(zhì)組分及性能參數(shù)測定結(jié)果，綜合運用實驗室相似材料模擬、3DEC數(shù)值計算、理論分析等方法，系統(tǒng)分析由開采引起的采動坡體的活動方式、影響因素及失穩(wěn)模式，將采動坡體活動納入頂板結(jié)構控制研究中來，建立沖溝坡體下淺埋煤層開采覆巖整體結(jié)構力學模型，揭示由采動坡體失穩(wěn)誘發(fā)頂板結(jié)構失穩(wěn)的力學機制。結(jié)合理論分析和采動坡體失穩(wěn)對礦壓影響的敏感性實測結(jié)果，確定沖溝采動坡體敏感性分類的關鍵指標并研究其定量化描述與計算方法，基于采動坡體的敏感性分類結(jié)果，提出相應的控制頂板結(jié)構失穩(wěn)的有效對策。研究成果可指導條件類似礦區(qū)的煤柱設計、支架選型，也可為山區(qū)采動地表移動變形預計和采動山體滑坡控制提供理論借鑒。

無支撐框架結(jié)構設計中，由于采用剛性樓板假定，忽略框架梁的軸向變形，不可能單根柱或部分柱喪失側(cè)向位移的穩(wěn)定性。而必然是同層中所有的柱一起喪失側(cè)移穩(wěn)定性。即為群柱失穩(wěn)。其中，當建筑物沒有扭轉(zhuǎn)時，"同層中所有柱"應該指整個結(jié)構單元范圍內(nèi)同一樓層所有的柱子。

一般用于高層建筑的穩(wěn)定性分析中。（高層建筑的穩(wěn)定分析中可用確定柱子的計算長度來代替整體的穩(wěn)定分析）群柱失穩(wěn)為確定柱子的計算長度K時考慮的三個因素中的第二個。

1.柱端的約束程度。

2.同一樓層中各柱間的相互影響。

3.各樓層的相互影響。2100433B

細長柱的失效形式主要是喪失穩(wěn)定性，短粗柱也可能是由于強度不足而破壞。關于柱的穩(wěn)定性可簡述如下：當壓力P較小時，柱能保持其直線平衡狀態(tài)。在微小側(cè)向干擾力F作用下，雖可發(fā)生微彎變形，但干擾力解除后，它仍能恢復原先的直線平衡狀態(tài)。這表明柱的直線平衡狀態(tài)是穩(wěn)定的（圖1a）。當壓力增加到某一極限值

圖1 受壓柱的兩種平衡狀態(tài)

a 能恢復原態(tài)的平衡狀態(tài)

b 不能恢復原態(tài)的平衡狀態(tài)

根據(jù)細長程度的不同，往的失效可分為：細長柱的線彈性失穩(wěn)，中長柱的非線彈性失穩(wěn)和短柱的強度破壞。

柱細長柱的線彈性失穩(wěn)

細長柱失穩(wěn)時應力并未超過比例極限（見材料的力學性能）。失穩(wěn)后柱的受力性質(zhì)起了變化，壓力的輕微增加會引起彎曲變形的明顯增大，表明柱已喪失承載能力。

設失穩(wěn)前柱的軸線為理想直線，壓力作用線與軸線重合，材料服從胡克定律，且失穩(wěn)后撓度很小，則細長柱臨界壓力的計算公式為：

式中E為材料的彈性模量，I為柱截面的形心主慣性矩（見截面的幾何性質(zhì)），l為柱的長度；μ為和約束條件有關的系數(shù)，對兩端鉸支的柱，μ=1；對一端固定另一端自由的柱，μ=2。

L.歐拉曾給出一端固定另一端自由的柱的臨界壓力公式，即

雖然歐拉未說明常數(shù)C的物理意義，但已提出柱的穩(wěn)定概念并得出正確的公式。后人稱式（1）為歐拉公式，并把按式（1）算出的臨界壓力

引入柔度

則臨界應力可表示為：

λ僅與柱本身的幾何性質(zhì)和約束條件有關，與載荷無關。由于導出歐拉公式時假設材料服從胡克定律，所以

上式取等號，可求出使應力不超過比例極限的最小柔度：

從而得到歐拉公式使用的范圍是：λ>λ1。

柱中長柱的非線彈性失穩(wěn)

柔度小于λ1的柱，其應力往往在低于式（4）給出的

圖2 應力-應變曲線σ應力 ε應變

① 切線彈性模量公式 對兩端簡支的柱，切線彈性模量公式為：

式中

②折減彈性模量公式 對兩端簡支的柱，折減彈性模量公式為：

式中

式中I1和I2分別為微彎變形中橫截面內(nèi)壓縮區(qū)和拉伸區(qū)對中性軸（即壓縮區(qū)和拉伸區(qū)的分界線）的慣性矩。至于中性軸的位置則由下式確定：

式中S1和S2分別為壓縮區(qū)和拉伸區(qū)對中性軸的靜矩。

③直線公式和拋物線公式 這些公式都是根據(jù)實驗資料建立的經(jīng)驗公式。直線公式把臨界應力和柔度λ表示為直線關系，即

拋物線公式則把

以上兩式中常數(shù)a、b和a1、b1都是與材料有關的常數(shù)，應根據(jù)實驗資料確定。

柱短柱的強度破壞

柔度很小的短柱的受壓破壞一躲都是由于壓應力達到強度極限而造成壓潰，或因應力達到屈服極限而出現(xiàn)過大的塑性變形。所以這種破壞是強度不足而引起的。

上述結(jié)論中都假設柱的軸線為理想直線，壓力和軸線重合且材枓是均勻的。在這種理想情況下，當P<

圖3 柱中壓力P同最大撓度δ的關系