基于改进的Drucker-Prager能量标准的扇形煤柱稳定性判据与集成控制技术

《Scientific Reports》：Instability criterion and integrated control technology for sector coal pillars based on a modified Drucker–Prager energy criterion

　　

摘要

在厚煤层中缩小煤柱的宽度可以提高煤炭回收率，但可能会加剧采矿引起的应力集中、塑性区的扩张以及由能量驱动的不稳定性。本研究考察了中国上朔煤矿15号煤层中15104工作面与15106进风巷之间的一个宽12米的煤柱。研究人员建立了一个巷道-煤柱复合支护应力模型，并利用弹性半平面解和平面应变假设构建了近似的三维应力状态。随后，基于存储的弹性能量密度、极限弹性能量密度和稳定性裕度，提出了改进的Drucker-Prager能量判据。通过理论计算、FLAC3D仿真和现场监测相结合的方法，评估了应力重分布、能量积聚和巷道变形情况。当巷道侧/采空区侧的塑性区宽度从3/5米增加到4/7米时，峰值垂直应力从24.973兆帕增加到28.757兆帕，峰值极限弹性能量密度从0.10兆焦耳/立方米增加到0.14兆焦耳/立方米。工作面后方6-8米的区域被确定为能量不稳定性敏感区域。经过综合控制后，最大顶板下沉量、煤柱侧肋条变形量、固体煤层侧肋条变形量以及底板隆起量分别为218毫米、240毫米、228毫米和208毫米。