露天矿端帮开采支撑煤柱参数设计

2021-08-03曹克楠姜聚宇

露天采矿技术 2021年4期

曹克楠，姜聚宇，周晶

（1.中煤科工（内蒙古）采矿工程技术有限公司，内蒙古呼和浩特 010011；2.辽宁工程技术大学，辽宁阜新 123000）

端帮开采工艺主要用于回收露天矿到达最终境界后，端帮下裸露出的无法通过正常采煤方法回采的煤层[1-2]。此工艺不仅可以提高煤炭资源回收率，还可解决煤层自燃引发的环境安全问题。端帮开采支撑煤柱的留设是回采作业的关键，支撑煤柱一旦失稳破坏，可能会引发多诺米骨牌效应使得边坡失稳，导致人员伤亡和机械压埋等损失[3-4]。

近年来，相关学者对端帮滞留煤回收开采进行了积极的研究与探索。陈彦龙[5]等考虑煤柱安全系数的要求，建立了支撑煤柱保持稳定的判据公式。王东[6]等综合采用理论分析、蠕变试验、数值模拟与工程实施等手段，研究端帮采煤机打硐回采条件下边坡支撑煤柱稳定性。武懋[7]等分析了露天矿相邻端帮间压煤开采内排过程中留沟措施，确定最终内排土场在端帮处留沟标高和煤层的开采层位。史智元[8]采用理论研究与FLAC3D数值模拟相结合的研究方法，分析采深与煤柱宽度对临界载荷影响、单侧煤壁与支撑煤柱的应力动态分布、区段内煤柱应力分布特征与永久煤柱的应力分布特征，得出相关规律。单永军[9]通过分析3 种端帮开采技术，结合施工区域实际地质条件，提出煤矿开采施工技术的科学选择。赵彦合[10]等分析端帮采煤与矿坑生产时空关系，提出端帮采煤上覆岩层安全厚度，使得端帮开采不影响矿坑正常生产与设备安全作业。

诸多专家学者分别采用经验公式、理论分析、数值模拟的方法研究端帮开采煤柱稳定性，但研究手段单一，缺乏系统性。因此，结合某露天矿端帮开采工程实际，通过理论推导煤柱失稳判据，采用经验公式计算不同留设尺寸的稳定性，最后结合数值模拟和失稳判据验证设计参数合理性，确定了煤柱留设宽度。

1 工程概况

某露天矿矿田开采境界东西长2.03～8.12 km，南北宽2.70～6.30 km，地表面积为40.23 km2。矿区内地形基本呈北东高，南西低之趋势。矿区地表大部分被新生界地层覆盖，属典型的黄土丘陵地貌。矿区的北部靠近煤层露头处以及区内各大沟谷的底部有零星地层出露。区内由下至上各地层主要岩性分别为基岩、泥沙岩互层、9 煤、泥砂岩互层、4 煤、细砂岩、表土，煤岩层物理力学参数见表1。

表1 煤岩层物理力学参数

该露天矿主要开采4 煤和9 煤，煤层总平均厚度约26 m。南端帮中9 煤厚度较大、煤层近水平、赋存稳定，同时由于边帮压覆资源量大，适宜采用端帮煤回收工。南端帮剖面示意图如图1。

图1 南帮剖面示意图

2 端帮开采设计方法

2.1 突变理论

由于煤柱失稳破坏是典型的非线性过程，故利用突变理论来解释系统的突跳状态，采用突变失稳理论的充分力学条件作为支撑煤柱发生突变失稳的判据如下[5]：

式中：xp为煤柱一侧塑性屈服区宽度，m；ws为煤柱宽度，m。

即获得煤柱稳定的充分条件为煤柱两侧塑性屈服区宽度的和2xp小于煤柱宽度ws的0.88 倍。

2.2 经验公式

1）煤柱强度计算。CIMFR 经验公式在对支撑煤柱参数设计时考虑的影响因素较为全面，提高了支撑煤柱参数设计的可靠性。为了使其适用于端帮开采，应用了瓦格纳提出的形状修正概念，并考虑了实验室测试的25 mm 立方体煤样的单轴抗压强度，具有较强的可信度。公式如下：

式中：σzl为煤柱强度，MPa；σc为25 mm 立方体煤样的强度，MPa；h 为煤柱高度，m；H 为开采深度，m；We为等效煤柱宽度，m。

2）煤柱荷载计算公式。荷载计算理论采用计算简单，应用较广的有效区域理论。该理论假定各煤柱支撑着它上部及与所邻近煤柱平分的采空区上部覆岩的重量。假定煤柱只受均布垂直载荷作用，且采区范围内保持常数，煤柱所受载荷可由下式计算：

式中：p 为煤柱所承受平均载荷，MPa；ρ 为上覆岩层平均密度，t/m3；ws为煤柱宽度，m；wm为采出宽度，m；g 为重力加速度，m/s2。

3）支撑煤柱安全系数。根据极限强度理论，由煤柱极限强度σzl和煤柱所受载荷p 之比可得煤柱安全系数Fs。

根据端帮开采的实际开采条件及地质条件，煤柱的安全系数的选取会有所不同。一般要求支撑煤柱安全系数在1.3 以上。

2.3 参数设计

基于经验公式，经验公式计算结果见表2，不同采高经验公式计算结果如图2。由计算结果可知，当采高为4.0、4.5、5.0、5.5 m，支撑煤柱的留设宽度为5.5、6.0、6.5、7.5 m 时，安全储备系数均在1.3 以上。

表2 经验公式计算结果

图2 不同采高经验公式计算结果

3 煤柱稳定性数值模拟

根据端帮开采区域边坡工程地质条件，模型岩性自上而下分别为黄土、砂泥岩互层、4 煤、砂泥岩互层、9 煤、基底砂岩。为消除边界效应，根据弹塑性力学理论，在硐室两侧各留设60 m 宽煤柱。研究区域提高支撑煤柱网格划分精度以减小误差，做如下设置：对煤柱走向研究范围内，单元格宽度划分为1 m，对每一支撑煤柱断面，在其横向及纵向都设置10个单元格，支撑煤柱区域共划分100 个单元格。模型边界条件设置模型的两侧施加水平约束，模型底部边界固定不动，模型的顶部和坡面为自由边界，加载方式为重力加载，计算分析中采用Mohr-Coulumb 弹塑性本构模型。南端帮数值模拟模型如图3。

图3 南端帮数值模拟模型

为研究不同采高条件下支撑煤柱失稳破坏机理、支承应力及塑性区分布规律，模拟方案为：采硐深度为150 m，采高分别为4.0、4.5、5.0、5.5 m，每一采高设置回采硐室5 条，硐室间留设4 条支撑煤柱，不同采高各留设3 种不同尺寸煤柱，分析沿支撑煤柱支承应力及塑性区分布规律。不同采高煤柱模拟留设宽度见表3。

表3 不同采高煤柱模拟留设宽度

3.1 煤柱走向支承应力分布规律

进行端帮开采下不同开采高度、支撑煤柱留设宽度三角载荷/梯形载荷作用下走向支承应力分布规律模拟，不同采高及煤柱宽度走向支承应力分布规律如图4。

图4 不同采高及煤柱宽度走向支承应力分布规律

由图4 可知，不同采高、煤柱留设宽度支承应力峰值位置均出现在煤柱最大采硐深度前方138 m 工程位置处。分析表明端帮开采存在“端部效应”，由于端部实体刚度大于支撑煤柱刚度，分担了支撑煤柱上覆岩层载荷，煤柱支承应力峰值位置均出现在最大采硐深度前方某一工程位置。并且，支承应力峰值位置与煤柱宽度、采高大小无关。显然整个支撑煤柱的最危险处为煤柱所受支承应力最大工程位置，若煤柱该位置为稳定状态，则煤柱的其它位置也均处于稳定状态，反之，若该位置发生失稳破坏，可能产生连锁反应而导致整条煤柱失稳。