露天礦端幫開采支撐煤柱參數(shù)設(shè)計

曹克楠，姜聚宇，周 晶

（1.中煤科工（內(nèi)蒙古）采礦工程技術(shù)有限公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010011；2.遼寧工程技術(shù)大學(xué)，遼寧 阜新 123000）

端幫開采工藝主要用于回收露天礦到達最終境界后，端幫下裸露出的無法通過正常采煤方法回采的煤層[1-2]。此工藝不僅可以提高煤炭資源回收率，還可解決煤層自燃引發(fā)的環(huán)境安全問題。端幫開采支撐煤柱的留設(shè)是回采作業(yè)的關(guān)鍵，支撐煤柱一旦失穩(wěn)破壞，可能會引發(fā)多諾米骨牌效應(yīng)使得邊坡失穩(wěn)，導(dǎo)致人員傷亡和機械壓埋等損失[3-4]。

近年來，相關(guān)學(xué)者對端幫滯留煤回收開采進行了積極的研究與探索。陳彥龍[5]等考慮煤柱安全系數(shù)的要求，建立了支撐煤柱保持穩(wěn)定的判據(jù)公式。王東[6]等綜合采用理論分析、蠕變試驗、數(shù)值模擬與工程實施等手段，研究端幫采煤機打硐回采條件下邊坡支撐煤柱穩(wěn)定性。武懋[7]等分析了露天礦相鄰端幫間壓煤開采內(nèi)排過程中留溝措施，確定最終內(nèi)排土場在端幫處留溝標(biāo)高和煤層的開采層位。史智元[8]采用理論研究與FLAC3D數(shù)值模擬相結(jié)合的研究方法，分析采深與煤柱寬度對臨界載荷影響、單側(cè)煤壁與支撐煤柱的應(yīng)力動態(tài)分布、區(qū)段內(nèi)煤柱應(yīng)力分布特征與永久煤柱的應(yīng)力分布特征，得出相關(guān)規(guī)律。單永軍[9]通過分析3 種端幫開采技術(shù)，結(jié)合施工區(qū)域?qū)嶋H地質(zhì)條件，提出煤礦開采施工技術(shù)的科學(xué)選擇。趙彥合[10]等分析端幫采煤與礦坑生產(chǎn)時空關(guān)系，提出端幫采煤上覆巖層安全厚度，使得端幫開采不影響礦坑正常生產(chǎn)與設(shè)備安全作業(yè)。

諸多專家學(xué)者分別采用經(jīng)驗公式、理論分析、數(shù)值模擬的方法研究端幫開采煤柱穩(wěn)定性，但研究手段單一，缺乏系統(tǒng)性。因此，結(jié)合某露天礦端幫開采工程實際，通過理論推導(dǎo)煤柱失穩(wěn)判據(jù)，采用經(jīng)驗公式計算不同留設(shè)尺寸的穩(wěn)定性，最后結(jié)合數(shù)值模擬和失穩(wěn)判據(jù)驗證設(shè)計參數(shù)合理性，確定了煤柱留設(shè)寬度。

1 工程概況

某露天礦礦田開采境界東西長2.03～8.12 km，南北寬2.70～6.30 km，地表面積為40.23 km2。礦區(qū)內(nèi)地形基本呈北東高，南西低之趨勢。礦區(qū)地表大部分被新生界地層覆蓋，屬典型的黃土丘陵地貌。礦區(qū)的北部靠近煤層露頭處以及區(qū)內(nèi)各大溝谷的底部有零星地層出露。區(qū)內(nèi)由下至上各地層主要巖性分別為基巖、泥沙巖互層、9 煤、泥砂巖互層、4 煤、細砂巖、表土，煤巖層物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 煤巖層物理力學(xué)參數(shù)

該露天礦主要開采4 煤和9 煤，煤層總平均厚度約26 m。南端幫中9 煤厚度較大、煤層近水平、賦存穩(wěn)定，同時由于邊幫壓覆資源量大，適宜采用端幫煤回收工。南端幫剖面示意圖如圖1。

圖1 南幫剖面示意圖

2 端幫開采設(shè)計方法

2.1 突變理論

由于煤柱失穩(wěn)破壞是典型的非線性過程，故利用突變理論來解釋系統(tǒng)的突跳狀態(tài)，采用突變失穩(wěn)理論的充分力學(xué)條件作為支撐煤柱發(fā)生突變失穩(wěn)的判據(jù)如下[5]：

式中：xp為煤柱一側(cè)塑性屈服區(qū)寬度，m；ws為煤柱寬度，m。

即獲得煤柱穩(wěn)定的充分條件為煤柱兩側(cè)塑性屈服區(qū)寬度的和2xp小于煤柱寬度ws的0.88 倍。

2.2 經(jīng)驗公式

1）煤柱強度計算。CIMFR 經(jīng)驗公式在對支撐煤柱參數(shù)設(shè)計時考慮的影響因素較為全面，提高了支撐煤柱參數(shù)設(shè)計的可靠性。為了使其適用于端幫開采，應(yīng)用了瓦格納提出的形狀修正概念，并考慮了實驗室測試的25 mm 立方體煤樣的單軸抗壓強度，具有較強的可信度。公式如下：

式中：σzl為煤柱強度，MPa；σc為25 mm 立方體煤樣的強度，MPa；h 為煤柱高度，m；H 為開采深度，m；We為等效煤柱寬度，m。

2）煤柱荷載計算公式。荷載計算理論采用計算簡單，應(yīng)用較廣的有效區(qū)域理論。該理論假定各煤柱支撐著它上部及與所鄰近煤柱平分的采空區(qū)上部覆巖的重量。假定煤柱只受均布垂直載荷作用，且采區(qū)范圍內(nèi)保持常數(shù)，煤柱所受載荷可由下式計算：

式中：p 為煤柱所承受平均載荷，MPa；ρ 為上覆巖層平均密度，t/m3；ws為煤柱寬度，m；wm為采出寬度，m；g 為重力加速度，m/s2。

3）支撐煤柱安全系數(shù)。根據(jù)極限強度理論，由煤柱極限強度σzl和煤柱所受載荷p 之比可得煤柱安全系數(shù)Fs。

根據(jù)端幫開采的實際開采條件及地質(zhì)條件，煤柱的安全系數(shù)的選取會有所不同。一般要求支撐煤柱安全系數(shù)在1.3 以上。

2.3 參數(shù)設(shè)計

基于經(jīng)驗公式，經(jīng)驗公式計算結(jié)果見表2，不同采高經(jīng)驗公式計算結(jié)果如圖2。由計算結(jié)果可知，當(dāng)采高為4.0、4.5、5.0、5.5 m，支撐煤柱的留設(shè)寬度為5.5、6.0、6.5、7.5 m 時，安全儲備系數(shù)均在1.3 以上。

表2 經(jīng)驗公式計算結(jié)果

圖2 不同采高經(jīng)驗公式計算結(jié)果

3 煤柱穩(wěn)定性數(shù)值模擬

根據(jù)端幫開采區(qū)域邊坡工程地質(zhì)條件，模型巖性自上而下分別為黃土、砂泥巖互層、4 煤、砂泥巖互層、9 煤、基底砂巖。為消除邊界效應(yīng)，根據(jù)彈塑性力學(xué)理論，在硐室兩側(cè)各留設(shè)60 m 寬煤柱。研究區(qū)域提高支撐煤柱網(wǎng)格劃分精度以減小誤差，做如下設(shè)置：對煤柱走向研究范圍內(nèi)，單元格寬度劃分為1 m，對每一支撐煤柱斷面，在其橫向及縱向都設(shè)置10個單元格，支撐煤柱區(qū)域共劃分100 個單元格。模型邊界條件設(shè)置模型的兩側(cè)施加水平約束，模型底部邊界固定不動，模型的頂部和坡面為自由邊界，加載方式為重力加載，計算分析中采用Mohr-Coulumb 彈塑性本構(gòu)模型。南端幫數(shù)值模擬模型如圖3。

圖3 南端幫數(shù)值模擬模型

為研究不同采高條件下支撐煤柱失穩(wěn)破壞機理、支承應(yīng)力及塑性區(qū)分布規(guī)律，模擬方案為：采硐深度為150 m，采高分別為4.0、4.5、5.0、5.5 m，每一采高設(shè)置回采硐室5 條，硐室間留設(shè)4 條支撐煤柱，不同采高各留設(shè)3 種不同尺寸煤柱，分析沿支撐煤柱支承應(yīng)力及塑性區(qū)分布規(guī)律。不同采高煤柱模擬留設(shè)寬度見表3。

表3 不同采高煤柱模擬留設(shè)寬度

3.1 煤柱走向支承應(yīng)力分布規(guī)律

進行端幫開采下不同開采高度、支撐煤柱留設(shè)寬度三角載荷/梯形載荷作用下走向支承應(yīng)力分布規(guī)律模擬，不同采高及煤柱寬度走向支承應(yīng)力分布規(guī)律如圖4。

圖4 不同采高及煤柱寬度走向支承應(yīng)力分布規(guī)律

由圖4 可知，不同采高、煤柱留設(shè)寬度支承應(yīng)力峰值位置均出現(xiàn)在煤柱最大采硐深度前方138 m 工程位置處。分析表明端幫開采存在“端部效應(yīng)”，由于端部實體剛度大于支撐煤柱剛度，分擔(dān)了支撐煤柱上覆巖層載荷，煤柱支承應(yīng)力峰值位置均出現(xiàn)在最大采硐深度前方某一工程位置。并且，支承應(yīng)力峰值位置與煤柱寬度、采高大小無關(guān)。顯然整個支撐煤柱的最危險處為煤柱所受支承應(yīng)力最大工程位置，若煤柱該位置為穩(wěn)定狀態(tài)，則煤柱的其它位置也均處于穩(wěn)定狀態(tài)，反之，若該位置發(fā)生失穩(wěn)破壞，可能產(chǎn)生連鎖反應(yīng)而導(dǎo)致整條煤柱失穩(wěn)。

3.2 煤柱塑性區(qū)分布規(guī)律

不同采高、留設(shè)寬度支撐煤柱支承應(yīng)力峰值位置塑性區(qū)分布規(guī)律模擬結(jié)果如圖5～圖8。

圖5 采高4.0 m 不同支撐煤柱留設(shè)寬度塑性區(qū)分布規(guī)律

圖6 采高4.5 m 不同支撐煤柱留設(shè)寬度塑性區(qū)分布規(guī)律

由圖可知，支撐煤柱失穩(wěn)破壞方式均為剪切破壞。圖5（a）、圖8（a）表明在煤柱寬度較小時，煤柱兩側(cè)塑性區(qū)貫通，發(fā)生失穩(wěn)破壞；圖5（b）、圖5（c）、圖8（b）、圖8（c）表明隨煤柱留設(shè)寬度的增大，煤柱中間位置存在一定比例彈性核區(qū)、塑性區(qū)未貫通、占比小于0.88，處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖8 采高5.5 m 不同支撐煤柱留設(shè)寬度塑性區(qū)分布規(guī)律

圖7 采高5 m 不同支撐煤柱留設(shè)寬度塑性區(qū)分布規(guī)律

結(jié)合支撐煤柱塑性區(qū)破壞特征，驗證了煤柱失穩(wěn)判據(jù)的可靠性，當(dāng)支撐煤柱支承應(yīng)力大于其極限強度時，將發(fā)生剪切失穩(wěn)破壞?？紤]到提高資源回采率，在采硐深度為150 m、采高為4.0、4.5、5.0、5.5 m時支撐煤柱的留設(shè)寬度分別為5.5、6.0、6.5、7.5 m。

4 結(jié)語

1）采用尖點突變模型分析支撐煤柱力學(xué)特征，推導(dǎo)出支撐煤柱失穩(wěn)判據(jù)，當(dāng)支撐煤柱屈服區(qū)寬度與煤柱寬度的比值大于88%時，煤柱將發(fā)生突變失穩(wěn)。

2）在安全儲備系數(shù)為1.3 的前提下，采用經(jīng)驗公式計算煤柱穩(wěn)定性系數(shù)，得出各采高對應(yīng)的不同煤柱留設(shè)寬度穩(wěn)定性，作為數(shù)值模擬計算依據(jù)。

3）端幫開采走向應(yīng)力分布出現(xiàn)“端部效應(yīng)”，改變采高與煤柱寬度，煤柱支承應(yīng)力峰值位置均出現(xiàn)在最大采深前方某一工程位置處，峰值位置與煤柱寬度、采高大小無關(guān)。以支承應(yīng)力峰值處的煤柱穩(wěn)定性作為判斷整體煤柱穩(wěn)定性的依據(jù)。

4）隨著煤柱寬度的增大，支撐煤柱支承應(yīng)力峰值位置塑性區(qū)減小，滿足失穩(wěn)判據(jù)且考慮回采率情況下，設(shè)計采硐深度為150 m、采高為4.0、4.5、5.0、5.5 m 時支撐煤柱的留設(shè)寬度分別為5.5、6.0、6.5、7.5 m。