豫北鹤园某矿区煤场结构稳定性分析

申东东++孟亚峰

摘 要：煤矿矿区的安全和地下支撑的结构有很大关系，为了最大程度的保障采矿人员的人身安全和设备安全，该文通过数值模拟、优化模拟、理论计算等方法，对简化采矿作业面结构、矿顶结构分析、矿顶支柱参数优化等方面进行了深入的探讨，得到了与实际误差极小的矿区结构方案。为了确保深部矿岩安全高效地开采，有必要针对采场的结构参数与稳定性进行科学合理地分析研究。

关键词：煤矿 数值模拟 优化 分析 参数

中图分类号：TU75 文献标识码：A 文章编号：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

礦产资源始终是人类发展的基石，不管是作为战略物资的储备还是为了满足国计民生的各项需求，人们对于有限的资源的争夺已经到了白热化的地步，如何在采矿过程中保证操作人员及设备的安全成为了我们研究的课题方向，以下我们就来探讨一下煤矿采场结构的安全稳定性。为了确保深部矿岩安全高效地开采，有必要针对采场的结构参数与稳定性进行科学合理地分析研究。

1 矿采区顶面结构分析

在煤矿开采过程中，需要对已采区进行固顶处理，一般情况下，我们用加固顶板的方式进行顶面强化，顶面下部采用支柱支撑，由于已采区顶面的压力和顶板自身的重力，迫使顶板产生向下的运动趋势，并因此产生弯矩作用，另外，在支柱与顶面接触的支撑区域还存在较大的集中应力。合理的确定支柱的截面尺寸和支柱间距对于优化支柱参数有重大意义，可以极大的降低支柱对于顶板的压应力和剪切应力。

我们用简化的数学模型来近似的代替采空区的结构，如图1所示。主要参数有支柱的截面积、支柱的横向和纵向间距。在布置支柱时，尽量采用均匀布置的方式，使得顶板各处的受力趋向等值。在数学模型中，由于支柱的截面积相对于支柱间距要小很多，所以在力分析处理时，把支柱对顶板的力视为一点，则可得：支柱与顶板处的接触点挠度为零，其余各处的挠度不为零。挠度计算公式为：，式中，为顶板挠度，为顶板的泊松比，E为顶板的弹性模量，h为顶板的厚度（m），此模型的挠度可表示为：，当取的特征点接近两支柱中点时，特解和齐次解应满足边界条件：

特解：，

齐次解：

=

求解得到、分别为：

，

这里，

得到：

由上面最后一个边界条件得到：

由于把支柱与顶板的接触面看作一个点，用上述公式将得到小误差的顶板挠度和来自于支柱的支反力，而在支柱与顶板的接触点上，由于前提假设的存在，支反力将无穷大。

经过计算，在表1中，列出了一些特殊点上的弯矩数值。

表1中得到的数值是在一定条件下得到的，根据前提假设，理论计算值和顶板的实际受力将非常接近，为施工提供了有效参考。

2 支柱失衡分析

当矿采区处于水平或者倾斜状态时，每个支柱所要承担的载荷F如表2所示，L为矿脉水平长度，H为矿脉采空区顶板以上的高度。F为每个支柱所承受的挠度

由此得出，矿脉纵深越大，矿脉采空区上方的顶层质量就越大，支柱承受的载荷就越趋于平均值，反之，支柱就承担更大的载荷。

支柱的临界失衡条件可用公式表示，n为支柱的安全系数，为支柱的强度，为支柱的内部应力，n大于1时，支柱稳定，n小于1时，支柱失衡。

在进行支柱参数优化时，应该把矿藏土质的非均匀密度作为重要的因素考虑，这种因素会导致相同尺寸的支柱受力不均，这就导致当顶板产生较大的弯矩或者向下的位移时，会有部分支柱先达到许用的最大应力而提前压溃。当两个尺寸一样的支柱合并成一个较大支柱时，较大支柱所产生的最大应力会远远大于两个小支柱的许用应力之和，因此，为提高支柱稳定性和扩大回采率，应适当增加较大支柱的数量。

3 支柱受水平应力的因素分析

采空区的结构可以用图2的数学模型表示，从地表到采空区顶板之间的自重为垂直载荷，可表示为：，水平应力为：。

考虑到矿脉开采过程中产生的震动影响，顶板的受力情况也随之变化，所有支柱的垂直载荷就等于顶板以上所有部分的重量，则每条支柱的均载荷为，根据力学定律，顶板受来自支柱的应力为：

其中，a为支柱截面的长度，l为两支柱之间的距离。可见，在支柱顶面的受力非常不均匀，我们用双曲线型应力函数来表示：

其中，，n是整数，是常数。

求得的支柱顶面各应力为：

其中，。

两端固定的简支梁，其最大弯矩发生在中间位置，将中间位置的带入上式得到水平应力为：

从上式中可以得到，当时，水平应力最大，其最大值为

结合上述公式代入可得到最大水平应力为：

其中，

当支柱长度等于支柱间距时，也就是矿脉处于未采状态时，，等于原始矿层应力，验证了推倒与实际的一致性，当时，

式中的

所以。

从以上推导得出结论：顶板的水平应力会随着的增大而减小，且当时，水平应力会变为正值成为垂直应力，为支撑顶板提供了额外的力，对于这类矿脉而言，开采是有利的。

4 结语

支柱的数量和矿床的长度和承载的矿顶的质量的比值有关，适当的增加较大支柱的数量可以有效改善支撑质量；最大矿顶弯矩发生在两支柱中间部位；当系数时，水平应力会变为垂直应力，能有效改善开采的安全性。

参考文献

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