采硐影響條件下端幫邊坡穩定性分析研究

張立海,姜玉連,畢建國

(1.中煤平朔集團公司 井工二礦,山西 朔州 036000;2.山西天地煤機裝備有限公司,太原 030006;3.中國煤炭科工集團 太原研究院有限公司,太原 030006)

采硐影響條件下端幫邊坡穩定性分析研究

張立海1,姜玉連1,畢建國2,3

(1.中煤平朔集團公司 井工二礦,山西 朔州 036000;2.山西天地煤機裝備有限公司,太原 030006;3.中國煤炭科工集團 太原研究院有限公司,太原 030006)

當前露天煤礦端幫資源探入式開采條件下,邊坡穩定性分析未充分考慮采硐影響的具體情況。筆者對原有的剛體極限平衡法進行改性,同時結合拉格朗日有限差分法分析邊坡穩定性,并對邊坡穩定系數的計算方法進行修正和完善,采用理論計算和數值模擬相結合的研究方法,論證了某露天煤礦端幫探入式開采的可行性和安全性,該礦實現了最高月產量為6萬t的好成績,取得了良好的經濟效益和社會效益。

探入式;采硐;端幫邊坡;穩定性

就目前的探入式開采技術和裝備而言,探入式開采在井工開采條件下的工藝已相對成熟,但在露天端幫開采條件下,無論是理論分析還是工程實踐基本處于空白的狀態,尤其是在露天礦端幫探入式開采時采硐的存在對邊坡穩定性的影響,目前國內外的研究都較少,缺乏相關領域的協調研究和科學論證。由于采硐內沒有支護、端幫探入式開采條件下,采硐間煤柱的留設能否有效支撐上覆巖層從而保障設備和工作面安全是一項技術性難題。同時,傳統的邊坡穩定性分析都是單純的對邊坡自身的穩定性進行的,而在實際的工程實踐中,由于采硐的存在,基底的承載力會逐漸減小,勢必會對邊坡的穩定性產生巨大的影響,尋求一種既融入應力-應變因素,同時考慮采硐影響的邊坡穩定性分析方法已成為采礦界亟待解決的技術性難題。

1 探入式開采工藝

基于露天煤礦端幫邊坡的地質條件和賦存條件,結合探入式開采技術和裝備的特點,探入式開采工藝具體為:利用開采設備的截割部深入煤層進行探入式開采,截割部探入煤層的深度依據煤層的賦存條件決定(端幫采煤機探入煤層的深度最大可至300 m),利用設備自帶的可連接、可伸縮的刮板運輸系統將煤炭運出,在相鄰的采硐間留設一定寬度的支撐煤柱以支撐頂板,在一定數量的采硐回采完畢后留設一定寬度的永久煤柱,一般情況下,永久煤柱的寬度為支撐煤柱寬度的3～4倍[1]。探入式開采工藝簡單易操作,采硐內無需支護,安全系數大,回收率較高,具有較大的技術優勢。

2 采硐影響條件下邊坡穩定性分析理論研究

在端幫探入式開采條件下,采硐的存在會對邊坡穩定性產生重大的影響,因此,需對采硐對邊坡穩定性的影響進行詳細科學的理論分析和研究,在已有的理論模型和計算公式的基礎上,對模型和公式進行融合和改進,得出采硐影響條件下的邊坡穩定性研究理論。

2.1兩種主要模型

1) 彈性模型:在邊坡初始變形階段必然要經歷彈性變形階段,基于此建立彈性模型,它主要表現為線性應力-應變特性,且各向同性,能夠適用于連續、均質的彈性材料[2]。

2) Mohr-Coulumb塑性模型:此模型適用于粘結狀或松散狀的散體土體和巖石等,此模型適用范圍廣泛,且計算準確率較高,在實際的工程實踐中得到了廣泛應用。

在實際的露天礦邊坡穩定性分析時,遇到的主要材料是巖體或巖(土)體,因此采硐條件下露天礦端幫邊坡穩定性分析采用彈性模型和Mohr-Coulumb模型進行計算[3]。

2.2改進的計算體系

在傳統的邊坡滑坡計算中,主要研究體積模量K和剪切模量G對邊坡穩定性的影響,并沒有考慮彈性模量E和泊松比ν對邊坡穩定性的影響[4]。 (K,G)與(E,ν)的對應關系如下:

(1)

(2)

基于傳統的計算體系存在計算缺陷和不足,故采用改進的計算體系(改進的強度折減法)對端幫邊坡穩定性系數進行計算和分析,其主要內容為:

在對邊坡穩定系數的計算過程中,引入一個特定的數值Ftrial,此數值稱為折減系數,將邊坡巖體材料的粘聚力c、內摩擦角φ都除以這個折減系數,由此便得到了新的c′、φ',然后將新得到的c′、φ'作為計算參數帶入有限元中進行分析計算,當邊坡巖體所承受的施加強度達到設定的臨界破壞狀態時,此時對應的折減系數便被稱為邊坡的最小穩定系數Fos[5],公式如下:

(3)

(4)

影響邊坡穩定性的關鍵因素是巖體的抗剪強度、內摩擦角和粘聚力。巖體在剪切面上所承受的最大剪應力超過其自身所能承受的抗剪極限時,邊坡就會發生失穩或破壞。

3 工程實踐

基于上述的理論分析結果和計算方法的改進,以某露天礦端幫開采為例,此露天礦在東幫存在欲開采煤炭資源,煤層厚度為3.2 m～3.5 m。東幫煤炭資源采掘平面圖，如圖1所示。

圖1 東端幫工程平面圖Fig.1 Engineering plan of the east end-slope

為了實現煤炭資源的安全開采,在進行資源開采前選取典型剖面進行穩定性分析,初步得出目前端幫穩定性情況如圖2所示,穩定性系數Fs在1.8以上,穩定系數數值較大,完全滿足回采對穩定系數的要求,故可進行端幫煤炭資源開采。在煤層回采過程中,穩定性系數會逐漸減低,經過科學合理的理論計算得出,在采硐間留設寬度為1.5 m的支撐煤柱,待5個采硐回采完畢后留設6 m的永久煤柱,經過大量的計算可得,邊坡的穩定性系數Fs最小值為1.16,大于邊坡穩定對穩定系數的數值要求,開采時的端幫穩定性情況如圖3所示。

圖2 開采前邊坡穩定性情況Fig.2 Stability of slope before mining

圖3 開采時邊坡穩定性情況Fig.3 Stability of slope during mining

為了保證在進行端幫開采時不會發生邊坡破壞或滑移,出現危及設備和人員的情況,考慮到剛體極限平衡法計算時沒有考慮變形的影響,為了保證結論的準確性和科學性,利用數值模擬技術進行三維建模評價[6],采用的計算指標如表1。

表1 巖土體物理力學參數

由數值模擬分析得知,在端幫煤炭資源開采過程中,端幫邊坡沒有產生大范圍的滑移,位移矢量圖和最大位移圖如圖4、圖5,從位移變化圖分析可知,在端幫煤炭資源回采過程中,在采硐的影響下邊坡穩定系數必然下降,但并沒有形成大范圍的邊坡滑移,不會出現因滑坡而導致壓覆設備的情況,只是在局部出現小范圍的片幫[7];從剪切應變增量圖(圖6)分析得出,因煤層上覆土層的抗剪強度較小而發生局部片幫,煤層抗剪強度較大沒有發生片幫,局部的小范圍片幫屬于正常現象,不會影響邊坡的整體穩定性,保證了工作面的安全生產。在詳細分析論證可實現端幫煤炭資源安全開采的前提下,此煤礦端幫資源開采最高月產量為6萬t,平均月產量為5.2萬t,實現了良好的經濟效益和社會效益。

圖4 位移矢量圖Fig. 4 Displacement vector graph

圖5 最大位移圖Fig.5 Maximum displacement vector graph

圖6 剪切應變增量圖Fig.6 Increment graph of shear strain

4 結論

1)在進行端幫煤炭資源的回采時,必須充分考慮采硐的存在對邊坡穩定性的影響,切實保證工作面安全。

2)利用彈性模型和Mohr-Coulumb模型對采硐影響下的邊坡穩定性進行分析研究,并引入改進的強度折減法對邊坡穩定系數Fs進行計算,創造了新的計算體系。

3)經過科學的理論計算和模擬分析,五彩灣煤礦進行探入式開采端幫資源,在保證工作面安全的前提下,最大限度提高資源回收率,實現了最高月產量為6萬t的好成績,獲得了良好的經濟效益和社會效益。

[1] 李洪,耿獻文.區段煤柱寬度的實測確定[J].礦山壓力與頂板管理,2005(1):31-35.

[2] 曹芳智,黃晨.基于地層結構分析的露天煤礦邊坡角優化[J].煤炭技術,2014(11):175-178.

CAO Fangzhi,HUANG Chen. Parameter Optimization Method of Opencast Coal Mine Bassed on Soft Rock Formation Structure Analysis Slope Excavation[J].Coal Technology,2014(11):175-178.

[3] 馬明,侯星野,周杰.露天煤礦排土場邊坡參數優化[J].煤炭技術,2014(10):293-296.

MA Ming,HOU Xingye,ZHOU Jie.Dump Slope Parameter Optimization Method of Opencast Coal Mine[J].Coal Technology,2014(10):293-296.

[4] 南世卿,任鳳玉,宋愛東.露天轉地下開采過渡前期高效開采方案研究[J].中國礦業,2012(S1):343-346.

NAN Shiqing,REN Fengyu,SONG Aidong.Study on the High Efficient Method of Open Pit to Underground Mining Transitional Earlier Stage[J].China Mining Magazine,2012(S1):343-346.

[5] 謝和平,段法兵,周宏偉,等.條帶煤柱穩定性理論與分析方法研究進展[J].中國礦業,1998,7(5):37-41.

XIE Heping,DUAN Fabing,ZHOU Hongwei,etal.Recent Developments of Theory and Analysis Methods of Strip Pillar Stability[J].China Mining Magazine,1998,7(5):37-41.

[6] 黃學滿.煤礦采場“豎三帶”的確定方法及應用[J].煤炭科學技術, 2013(8):48-50.

HUANG Xueman.Application and Dertermination Method of Vertical Three Rregions of Working Face[J].Coal Science and Technology,2013(8):48-50.

[7] 孟達,王家臣,王進學.房柱式開采上覆巖層破壞與跨落機理[J].煤炭學報,2007,32(6): 577-580.

MENG Da,WANG Jiachen,WANG Jinxue.Mechanism on the Failure and Caving of Roof Strata in Pillar and House Mining[J].Journal of China Coal Society,2007,32(6): 577-580.

StabilityAnalysisofEnd-slopeunderMiningAdit

ZHANGLihai1,JIANGYulian1,BIJianguo2,3
(1.JinggongNo.2Mine,ChinaCoalPingshuoGroup,Shuozhou036000,China;2.ShanxiTiandiCoalMiningMachineryEquipmentCo.,Ltd.,Taiyuan030006,China;3.TaiyuanDesign&ResearchInstituteCo.,Ltd.,ChinaCoalTechnology&EngineeringGroup,Taiyuan030006,China)

Under the current resource probing mining in an open-pit coal mine, the stability analysis of slope neglected the influence of mining adit. Therefore, the slope stability was studied by the modified Rigid Limit Equilibrium Method and the Lagrange Finite Difference Method. The calculation of the stability parameters were improved. The theoretical calculation and numerical simulation were used to validate the feasibility and safety of the probing mining of the end-slope. The mine realized the highest monthly output of 60,000 ton, which has achieved better economical and social benefits.

probe type; mining adit; end-slope; stability

1672-5050(2017)03-0001-03

10.3919/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2017.06.001

2017-05-27

山西省面上青年基金項目支持(201601D202051);山西天地煤機裝備有限公司自立項目(M2017-01)

張立海(1964-),男,山東德州人,本科,工程師,從事煤礦技術管理工作。

TD824.71

A

(編輯:楊 鵬)