采硐影响条件下端帮边坡稳定性分析研究

张立海,姜玉连,毕建国

(1.中煤平朔集团公司 井工二矿,山西 朔州 036000;2.山西天地煤机装备有限公司,太原 030006;3.中国煤炭科工集团 太原研究院有限公司,太原 030006)

采硐影响条件下端帮边坡稳定性分析研究

张立海1,姜玉连1,毕建国2,3

(1.中煤平朔集团公司 井工二矿,山西 朔州 036000;2.山西天地煤机装备有限公司,太原 030006;3.中国煤炭科工集团 太原研究院有限公司,太原 030006)

当前露天煤矿端帮资源探入式开采条件下,边坡稳定性分析未充分考虑采硐影响的具体情况。笔者对原有的刚体极限平衡法进行改性,同时结合拉格朗日有限差分法分析边坡稳定性,并对边坡稳定系数的计算方法进行修正和完善,采用理论计算和数值模拟相结合的研究方法,论证了某露天煤矿端帮探入式开采的可行性和安全性,该矿实现了最高月产量为6万t的好成绩,取得了良好的经济效益和社会效益。

探入式;采硐;端帮边坡;稳定性

就目前的探入式开采技术和装备而言,探入式开采在井工开采条件下的工艺已相对成熟,但在露天端帮开采条件下,无论是理论分析还是工程实践基本处于空白的状态,尤其是在露天矿端帮探入式开采时采硐的存在对边坡稳定性的影响,目前国内外的研究都较少,缺乏相关领域的协调研究和科学论证。由于采硐内没有支护、端帮探入式开采条件下,采硐间煤柱的留设能否有效支撑上覆岩层从而保障设备和工作面安全是一项技术性难题。同时,传统的边坡稳定性分析都是单纯的对边坡自身的稳定性进行的,而在实际的工程实践中,由于采硐的存在,基底的承载力会逐渐减小,势必会对边坡的稳定性产生巨大的影响,寻求一种既融入应力-应变因素,同时考虑采硐影响的边坡稳定性分析方法已成为采矿界亟待解决的技术性难题。

1 探入式开采工艺

基于露天煤矿端帮边坡的地质条件和赋存条件,结合探入式开采技术和装备的特点,探入式开采工艺具体为:利用开采设备的截割部深入煤层进行探入式开采,截割部探入煤层的深度依据煤层的赋存条件决定(端帮采煤机探入煤层的深度最大可至300 m),利用设备自带的可连接、可伸缩的刮板运输系统将煤炭运出,在相邻的采硐间留设一定宽度的支撑煤柱以支撑顶板,在一定数量的采硐回采完毕后留设一定宽度的永久煤柱,一般情况下,永久煤柱的宽度为支撑煤柱宽度的3～4倍[1]。探入式开采工艺简单易操作,采硐内无需支护,安全系数大,回收率较高,具有较大的技术优势。

2 采硐影响条件下边坡稳定性分析理论研究

在端帮探入式开采条件下,采硐的存在会对边坡稳定性产生重大的影响,因此,需对采硐对边坡稳定性的影响进行详细科学的理论分析和研究,在已有的理论模型和计算公式的基础上,对模型和公式进行融合和改进,得出采硐影响条件下的边坡稳定性研究理论。

2.1两种主要模型

1) 弹性模型:在边坡初始变形阶段必然要经历弹性变形阶段,基于此建立弹性模型,它主要表现为线性应力-应变特性,且各向同性,能够适用于连续、均质的弹性材料[2]。

2) Mohr-Coulumb塑性模型:此模型适用于粘结状或松散状的散体土体和岩石等,此模型适用范围广泛,且计算准确率较高,在实际的工程实践中得到了广泛应用。

在实际的露天矿边坡稳定性分析时,遇到的主要材料是岩体或岩(土)体,因此采硐条件下露天矿端帮边坡稳定性分析采用弹性模型和Mohr-Coulumb模型进行计算[3]。

2.2改进的计算体系

在传统的边坡滑坡计算中,主要研究体积模量K和剪切模量G对边坡稳定性的影响,并没有考虑弹性模量E和泊松比ν对边坡稳定性的影响[4]。 (K,G)与(E,ν)的对应关系如下:

(1)

(2)

基于传统的计算体系存在计算缺陷和不足,故采用改进的计算体系(改进的强度折减法)对端帮边坡稳定性系数进行计算和分析,其主要内容为:

在对边坡稳定系数的计算过程中,引入一个特定的数值Ftrial,此数值称为折减系数,将边坡岩体材料的粘聚力c、内摩擦角φ都除以这个折减系数,由此便得到了新的c′、φ',然后将新得到的c′、φ'作为计算参数带入有限元中进行分析计算,当边坡岩体所承受的施加强度达到设定的临界破坏状态时,此时对应的折减系数便被称为边坡的最小稳定系数Fos[5],公式如下:

(3)

(4)

影响边坡稳定性的关键因素是岩体的抗剪强度、内摩擦角和粘聚力。岩体在剪切面上所承受的最大剪应力超过其自身所能承受的抗剪极限时,边坡就会发生失稳或破坏。

3 工程实践

基于上述的理论分析结果和计算方法的改进,以某露天矿端帮开采为例,此露天矿在东帮存在欲开采煤炭资源,煤层厚度为3.2 m～3.5 m。东帮煤炭资源采掘平面图，如图1所示。

图1 东端帮工程平面图Fig.1 Engineering plan of the east end-slope

为了实现煤炭资源的安全开采,在进行资源开采前选取典型剖面进行稳定性分析,初步得出目前端帮稳定性情况如图2所示,稳定性系数Fs在1.8以上,稳定系数数值较大,完全满足回采对稳定系数的要求,故可进行端帮煤炭资源开采。在煤层回采过程中,稳定性系数会逐渐减低,经过科学合理的理论计算得出,在采硐间留设宽度为1.5 m的支撑煤柱,待5个采硐回采完毕后留设6 m的永久煤柱,经过大量的计算可得,边坡的稳定性系数Fs最小值为1.16,大于边坡稳定对稳定系数的数值要求,开采时的端帮稳定性情况如图3所示。

图2 开采前边坡稳定性情况Fig.2 Stability of slope before mining

图3 开采时边坡稳定性情况Fig.3 Stability of slope during mining

为了保证在进行端帮开采时不会发生边坡破坏或滑移,出现危及设备和人员的情况,考虑到刚体极限平衡法计算时没有考虑变形的影响,为了保证结论的准确性和科学性,利用数值模拟技术进行三维建模评价[6],采用的计算指标如表1。

表1 岩土体物理力学参数

由数值模拟分析得知,在端帮煤炭资源开采过程中,端帮边坡没有产生大范围的滑移,位移矢量图和最大位移图如图4、图5,从位移变化图分析可知,在端帮煤炭资源回采过程中,在采硐的影响下边坡稳定系数必然下降,但并没有形成大范围的边坡滑移,不会出现因滑坡而导致压覆设备的情况,只是在局部出现小范围的片帮[7];从剪切应变增量图(图6)分析得出,因煤层上覆土层的抗剪强度较小而发生局部片帮,煤层抗剪强度较大没有发生片帮,局部的小范围片帮属于正常现象,不会影响边坡的整体稳定性,保证了工作面的安全生产。在详细分析论证可实现端帮煤炭资源安全开采的前提下,此煤矿端帮资源开采最高月产量为6万t,平均月产量为5.2万t,实现了良好的经济效益和社会效益。

图4 位移矢量图Fig. 4 Displacement vector graph

图5 最大位移图Fig.5 Maximum displacement vector graph

图6 剪切应变增量图Fig.6 Increment graph of shear strain

4 结论

1)在进行端帮煤炭资源的回采时,必须充分考虑采硐的存在对边坡稳定性的影响,切实保证工作面安全。

2)利用弹性模型和Mohr-Coulumb模型对采硐影响下的边坡稳定性进行分析研究,并引入改进的强度折减法对边坡稳定系数Fs进行计算,创造了新的计算体系。

3)经过科学的理论计算和模拟分析,五彩湾煤矿进行探入式开采端帮资源,在保证工作面安全的前提下,最大限度提高资源回收率,实现了最高月产量为6万t的好成绩,获得了良好的经济效益和社会效益。

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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项目支持(201601D202051);山西天地煤机装备有限公司自立项目(M2017-01)

张立海(1964-),男,山东德州人,本科,工程师,从事煤矿技术管理工作。

TD824.71

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(编辑:杨 鹏)