露天煤礦端幫遺煤開采頂板破斷特征研究

張繼業(yè),張偉勝

(鄭州煤礦機械集團股份有限公司,河南 鄭州 450010)

露天煤礦受開采工藝的限制,往往在端幫壓留大量的煤炭,主要包括端幫煤柱、排土場壓煤等,大大降低了煤炭采出率,造成較大的資源浪費,同時帶來了遺煤自燃、礦區(qū)環(huán)境污染等問題。為順應(yīng)煤炭行業(yè)安全、高效、綠色發(fā)展理念,實現(xiàn)易采資源與復(fù)雜難采資源共采,提出了露天開采與井工開采技術(shù)相結(jié)合的采煤工藝,實現(xiàn)端幫遺煤回收。

如何安全高效回收端幫壓煤資源,實現(xiàn)工作面安全支護,眾多學(xué)者針對端幫回采覆巖破壞特征、頂板運動規(guī)律和礦壓顯現(xiàn)規(guī)律開展了研究[1-7]。丁鑫品等[8]通過數(shù)值模擬方法,對端幫采煤邊坡變形破壞進行研究,提出合理留設(shè)煤柱控制采場覆巖活動;丁其樂[9]將端幫井工工作面頂板視為薄板結(jié)構(gòu),并對頂板變形破斷特征進行了分析;李燾[10]基于彈性地基理論分析端幫壓煤開采頂板破斷特征,并給出了頂板來壓步距的估算方法;呂進國等[11]通過構(gòu)建井工—露天開采條件,研究端幫回采覆巖與地表變形破壞規(guī)律;王東等[12]研究了端幫工作面煤柱突變失穩(wěn)條件,確定了合理的煤柱寬度;韓陽[13]通過相似模型模擬研究端幫工作面頂板破壞規(guī)律和頂板結(jié)構(gòu)特征。

本文采用理論分析與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法研究端幫遺煤井工工作面頂板破斷特征,研究可為工作面來壓預(yù)警提供理論依據(jù),具有重要的理論意義。

1 工程背景

1.1 礦井概況

內(nèi)蒙古某露天煤礦地表東西長6.75 km,南北寬5.15 km,面積36.09 km2。主采5煤與6煤,煤層由南向北傾,傾角小于5°,5煤平均厚度13 m,6煤平均厚度32 m,容重1.35 m3/t,煤類為褐煤,剝離采用單斗—卡車間斷工藝,原煤采用單斗—卡車—地面半移動式破碎站—帶式輸送機半連續(xù)開采工藝,核定生產(chǎn)能力28 Mt/a。最大采深約210 m,工作幫坡角10°,剝離物以泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖、炭質(zhì)泥巖為主,局部有含礫泥巖、中砂巖等。

1.2 巖性組合與物理力學(xué)特征

5煤頂板由砂礫巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖、細(xì)砂巖等組成。其中砂礫巖大多為泥質(zhì)膠結(jié),砂礫結(jié)構(gòu),塊狀構(gòu)造,礦物成分為長石、石英及黏土礦物,巖芯破碎,局部為柱狀、短柱狀,RQD為0～65%,巖體完整性差,上不層段破碎,水浸易崩解,透水性較好,抗壓強度0.06～21.00 MPa;泥巖、砂質(zhì)泥巖為泥質(zhì)膠結(jié),局部含礫石或炭屑,礦物成分為黏土礦物、長石,RQD為50%～70%,巖體質(zhì)量中等完整,遇水易崩解,其中泥巖抗壓強度0.19～10.90 MPa,砂質(zhì)泥巖抗壓強度0.23～56.20 MPa,且風(fēng)干強度明顯大于自然強度;細(xì)砂巖呈灰色,泥質(zhì)膠結(jié),細(xì)粒結(jié)構(gòu),礦物成分為長石、石英,斷面不平整,局部含炭屑,RQD大于65%,巖體質(zhì)量中等完整—較完整,浸水易崩解,抗壓強度1.21～3.08 MPa,透水性較好。

5煤-6煤底巖組主要由5煤、泥巖、砂質(zhì)泥巖、細(xì)砂巖及6煤組成,其中泥巖、砂質(zhì)泥巖及細(xì)砂巖互層分布,局部地段有缺失。該巖組段砂質(zhì)泥巖呈灰色,泥質(zhì)結(jié)構(gòu),塊狀構(gòu)造,局部含礫石或炭屑,RQD為70%～90%,巖體質(zhì)量較完整,抗壓強度0.09～6.44 MPa,遇水易崩解,線膨脹率1.53～1.56;泥巖呈灰色,泥質(zhì)結(jié)構(gòu),層狀構(gòu)造,主要礦物成分為黏土礦物,局部含少量炭屑,RQD為80%～90%,巖體質(zhì)量較完整,易風(fēng)化,裂隙不發(fā)育,抗壓強度0.08～9.28;細(xì)砂巖呈灰白色,細(xì)粒結(jié)構(gòu),塊狀構(gòu)造,主要礦物成分為長石、石英,斷口參差狀,局部含炭屑,RQD為80%～90%,巖體質(zhì)量較完整,水浸易崩解,抗壓強度1.21～3.08 MPa,透水性較好。

1.3 礦井開采布置

礦井劃分為3個采區(qū),即一采區(qū)、二采區(qū)和三采區(qū)。開采順序為一采區(qū)→二采區(qū)→三采區(qū),采用扇形過渡方式,礦井規(guī)劃布置如圖1所示。

圖1 礦井規(guī)劃布置Fig.1 Mine planning and layout

根據(jù)礦井生產(chǎn),現(xiàn)在每年推進300 m,端幫壓煤量為5煤80萬t,6煤400萬t;進入轉(zhuǎn)向區(qū)后,每年推進600 m,端幫壓煤量為5煤110萬t,6煤600萬t。為最大限度回收煤炭資源,決定布置綜合機械化放頂煤工作面進行端幫壓煤回收,工作面長回采順序為下行開采。工作面布置形式如圖2所示。

圖2 端幫綜放工作面布置Fig.2 Arrangement of end slope fully-mechanized working face

2 端幫綜放工作面頂板薄板模型力學(xué)分析

2.1 薄板模型建立

根據(jù)圖2可知,將工作面頂板視為彈性薄板,將其看作彈性矩形薄板破斷問題進行分析。端幫工作面上覆巖層已被露天開采剝離破壞,形成臺階狀,因此頂板所受載荷不是常規(guī)的均布載荷,可將其視為線性變化的載荷qz。工作面的露天開采側(cè)已采空,頂板受采空側(cè)煤柱支承作用,可看作簡支約束,實體煤側(cè)則受巖層的固支約束。綜放工作面開采后,頂板初次來壓前可以將頂板視為三邊固支一邊簡支的薄板,如圖3所示,a為工作面長度,b為工作面推進長度,h為基本頂厚度。

圖3 三邊固支一邊簡支薄板模型Fig.3 Thin plate model with three sides fixed and one side simply supported

根據(jù)彈性力學(xué)基礎(chǔ)理論,可得出滿足三邊固支一邊簡支的矩形薄板撓曲線方程為[14-16]:

(1)

將工作面頂板壓力看作線性變化的載荷qz;q1為上覆巖層最少時的載荷;q2為上覆巖層最多時的載荷,可以聯(lián)立得出qz的函數(shù)方程為:

(2)

q1與q2由下列公式計算:

q=γh

(3)

式中,γ為巖層容重。

根據(jù)伽遼金法,可得:

(4)

式中,D為基本頂彎曲剛度,D=Eh3/12(1-μ2)。

2.2 薄板模型力學(xué)分析

經(jīng)計算分析可得矩形薄板的彎矩方程為[17]:

(5)

式中,μ為基本頂巖石的泊松比;E為基本頂巖石的彈性模量。

根據(jù)彈性力學(xué)薄板理論,可知彈性薄板內(nèi)應(yīng)力的關(guān)系表達式為:

(6)

隨著工作面推進,工作面懸空空間增加,頂板所受應(yīng)力發(fā)生變化。當(dāng)基本頂巖層所受的應(yīng)力大于基本頂巖石的抗拉強度時,基本頂發(fā)生破斷,工作面發(fā)生初次來壓,應(yīng)滿足條件為[17]:

{(σx)max,(σy)max}max≤σt

(7)

2.3 頂板應(yīng)力分布特征分析

根據(jù)采礦地質(zhì)條件和工作面布置可知,工作面長度a為200 m,基本頂為粉砂巖,厚度h為7 m,巖石單軸抗拉強度σt為2.5 MPa。將參數(shù)代入公式(5)、(6)、(7)計算,可得到當(dāng)b為20 m時,模型的固支長邊上應(yīng)力峰值達到巖石的單軸抗拉強度,頂板巖層將在該位置發(fā)生破斷,此時基本頂巖層應(yīng)力分布情況如圖4與圖5所示。

圖4 基本頂所受σx應(yīng)力分布Fig.4 Distribution of σxstress on fundamental roof

圖5 基本頂所受σy應(yīng)力分布Fig.5 Distribution of σystress on fundamental roof

3 端幫綜放工作面開采數(shù)值模擬分析

3.1 數(shù)值模型建立

根據(jù)開采地質(zhì)條件,采用FLAC3D模擬軟件建立數(shù)值模型[18-20],模型尺寸400 m×100 m×95 m,模型四周邊界簡支,底部固支,頂部為自由邊界。模型每2 m開挖一次,當(dāng)模型計算平衡后方可進行下次開挖。數(shù)值模型如圖6所示。

圖6 數(shù)值模型構(gòu)建Fig.6 Numerical modeling construction

將模型進行初始計算后,按露天開采范圍將巖層進行剝離,經(jīng)計算平衡得到端幫綜放工作面模擬初始模型,如圖7所示。

圖7 模擬初始模型Fig.7 Simulate initial model

3.2 模擬結(jié)果分析

為研究工作面頂板破壞移動規(guī)律,按模擬方案對模型進行逐步開采,每2 m為一個開采循環(huán),分析并記錄頂板巖層破壞和移動情況。當(dāng)工作面推進至22 m時,工作面頂板巖層破壞范圍延伸至地表,頂板開始大范圍垮落,工作面開始發(fā)生初次來壓。工作面不同位置頂板破壞情況如圖8所示。

圖8 工作面方向不同位置頂板破壞情況Fig.8 Roof failure at different positions in working face direction

根據(jù)模擬結(jié)果可知,由于覆巖厚度的不同,工作面傾向不同位置的頂板破壞程度有所不同,工作面表現(xiàn)出來壓不均的情況。工作面傾向20～70 m頂板破壞至地表,該范圍發(fā)生來壓,70～200 m由于頂板巖層較厚,來壓現(xiàn)象相對滯后。

由圖9可知,受露天開采剝離巖層的影響,改變了巖層的受力狀態(tài),巖層地表部分由原來的三向受力變?yōu)閮上蚴芰?巖層產(chǎn)生向上的位移。當(dāng)工作面開采后,上覆巖層移動,地表發(fā)生不同程度的下沉。工作面推進22 m,工作面來壓時,地表最大下沉量27 mm,地表位移差在覆巖厚度較小處最大達到54 mm,表明該位置頂板巖層運動活躍,應(yīng)加強工作面頂板防護和地表邊坡穩(wěn)定。

4 結(jié)論

(1)根據(jù)端幫壓煤綜放工作面開采條件,建立三邊固支一邊簡支薄板力學(xué)模型,并推導(dǎo)得出基本頂內(nèi)彎矩分布公式。

(3)數(shù)值模擬結(jié)果顯示,工作面開采至22 m時,頂板20～70 m頂板發(fā)生破壞并開始來壓,其他位置來壓相對滯后。在覆巖厚度較小處,地表位移差最大達到54 mm,該位置覆巖運動活躍,應(yīng)注意工作面頂板防護和地表邊坡穩(wěn)定。