端帮开采煤柱应力分布动态演化过程研究

史智元

(1.中煤科工开采研究院有限公司，北京 100013；2.天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013；3.煤炭科学研究总院 开采研究分院，北京 100013)

科学采矿是指在保证安全的前提下、在环境容量的允许范围内，经济、高效、高采出率地采出煤炭[1]。当前，我国多数大型露天煤矿由于开采设计与工艺限制的原因，多数采用分区开采、高强度推进，造成端帮高陡，地表境界与底部境界的大量煤炭被端帮边坡压覆，排土场重新掩埋之后，造成永久损失和资源浪费[2]。据不完全统计，我国露天开采端帮压煤占资源量的20%左右[3]。年产量超过千万吨的15座大型露天煤矿中，端帮滞留煤炭资源在1亿t以上的煤矿13座，端帮滞留煤炭资源在2亿t以上的煤矿5座[4]，以哈尔乌素露天煤矿为例，如果能够提高1°端帮边坡角，每年可多回收煤炭资源15万t。由此可见露天煤矿端帮压赋的煤炭资源数量巨大，具有重大经济效益与现实意义。

露天矿开采后残存的大量端帮滞留煤进行开采时，确定留设煤柱的稳定性一直是端帮采煤工艺高效应用推广的突出难题[5]。目前，国内外从事露天煤矿研究的学者对端帮相关课题进行了积极有益的探索[6-15]。

现有研究成果，或是针对煤柱稳定性，或是针对煤柱宽度及边坡角度进行研究，而关于端帮开采过程中煤柱在开采过程中的应力时空分布特征的文章却鲜有报道。因此，在掌握当前端帮开采工艺的基础上，充分考虑煤柱两侧开采过程中应力演变过程，建立力学模型，对煤柱群破坏及失稳次序，煤层顶板运动特征及工作面压架机理进行了分析研究。对今后露天煤矿建立端帮探入式开采中岩层运动与工作面动压的时空对应关系，预测工作面压机发生条件及位置具有重要的现实意义，为类似条件的露天煤矿端帮工作面安全开采提供理论指导。

1 工程概况

源通长富煤矿位于桌子山煤田，内蒙古乌海市海南区东约5km处。整合后的长富矿北帮16-1煤层压煤严重，煤层自然厚度1.37～5.61m，平均3.95m，煤层露头标高+1024m，属于近水平煤层，本次主要研究北帮压煤区域，煤层物理力学参数见表1。

表1 煤层物理力学参数

2 端帮探入式采煤工艺

端帮条带式采煤工艺，以探入式开采为主，采煤机利用惯性导航技术，探入深度为100～300m。采出的煤炭通过单元速连胶带运输系统运出。开采过程中，工人不进入采硐内部，采硐无需支护，特殊情况需要通风、降尘的工序。为了保证覆岩层和巷道的稳定，防止滑坡的发生，采硐间留设支撑煤柱，以确保支护安全，每隔10～20个支撑煤柱留设永久煤柱，永久煤柱宽度通常为支撑煤柱宽度的3～4倍。

3 端帮探入式煤柱稳定性理论分析

3.1 煤柱应力分布力学模型

端帮支撑煤柱一般是规则的长方体，依据其特征将煤柱简化为一边固定一边自由两边简支厚度均匀的矩形薄板，其中实体煤侧为固支端约束，端帮煤层出露面为自由边界，煤柱上、下边界为简支约束，模型中用线性分布载荷简化上覆岩层的重力作用，最大值为σ0，煤柱高度为h，宽度为a，采深为l，煤柱两侧塑性区的宽度为xp，则煤柱弹性核区宽度t=a-2xp。

通过假设煤柱临界稳定挠度函数，求解线性分布载荷作用下煤柱变形能和载荷所做功，利用能量方法推导煤柱稳定性临界载荷计算公式[4]：

3.2 采深对临界载荷影响

公式(1)中弹性模量E取2.055GPa，泊松比μ取0.28，h取4m，xp取0.6m，a取1.5m，计算开采深度l在0～300m时临界载荷随采深的变化规律，如图1所示。

由图1可知，在端帮初采阶段，采深度从0逐渐增大至50m的过程中，支撑煤柱临界载荷σ0急速降低，表明使煤柱由原来稳定平衡状态转变为不稳定状态的的最大载荷迅速降低，即煤柱稳定性迅速减弱。之后采深从50m增大至300m，σ0缓慢减小，表明此时煤柱稳定性趋于平稳。即临界载荷随采深变化关系类似幂函数图像，整体上随着采深的增加，煤柱稳定性逐步降低，但在初采阶段减弱较为迅速，后续减弱趋于平缓。

图1 临界载荷随采深变化关系

3.3 煤柱宽度对临界载荷影响

公式中l取300m时，其余值保持不变，计算a为1.4～1.8m时，临界载荷随支撑煤柱宽度的变化规律。

临界载荷随煤柱宽度变化关系如图2所示，端帮开采煤柱的稳定性与其宽度密切相关，随着煤柱宽度增加，临界载荷呈类似于指数型函数关系增加。从整体上看，随着煤柱宽度的增加，煤柱稳定性急剧增加，即在相似工程实践中的，支撑煤柱宽度是决定煤柱稳定性的关键因素。

图2 临界载荷随煤柱宽度变化关系

4 端帮探入式煤柱稳定性数值模拟

根据内蒙古源通长富煤矿地质资料及现场情况，对研究对象所处地貌进行简化，建立如图3所示剖面图，模型尺寸长×宽×高=500m×161m×350m，煤层厚度为4m，埋深250m。模型边界选择四周简支，底部固支，其中斜坡与顶部边界为自由边界。开采方式采用探入式开采，工作面采宽3m、采高4m、采深300m，条带煤柱宽度为1.5m，每11个工作面(10个煤柱)为一区段，区段间永久煤柱宽度为5m，开采煤层位于坡面的下方，所以采用线性分布载荷模拟上覆岩层的重力作用。为研究开采过程各煤柱应力分布变化以及变形破坏规律，使用FLAC3D数值模拟软件，建立数值模拟模型，用Extrusion细划煤柱网格。煤层顶底板力学参数见表1。

图3 工程地质剖面(m)

5 煤柱群动态失稳结构模型力学分析

端帮探入式开采过程中，采场上覆岩层的重量主要由支撑煤柱和永久煤柱承担，支护方式单一。由于某条煤柱失稳，载荷会发生转移至相邻煤柱，导致相邻煤柱中载荷超出自身强度而发生连续破坏，最终影响采场稳定性。为研究开采过程中煤柱应力分布的动态演化过程，根据上述端帮探入式开采数值模型，分别对单侧煤壁应力动态分布、支撑煤柱应力动态分布、区段内内煤柱应力分布特征、区段间永久煤柱应力分布特征，进行详细分析，具体内容如下所述。

5.1 单侧煤壁应力动态分布

单侧煤壁是指在开采过程中，端帮采煤机探入开采采硐，而下一采硐尚未开采，此时煤柱尚未完全形成，以当前采硐的侧帮或实体煤的形式存在，但对片帮、压机等灾害以及将来形成煤柱后的应力分布、范围有一定影响。因此用Fish语言控制逐步开挖，模拟动态开采过程，研究单侧开采煤柱应力动态分布。

如图4所示，红色线框代表将来形成煤柱的区域，箭头指示开采位置及方向，研究结果如下：①单侧开采过程中，因工作面支承压力的作用，工作面前方煤壁出现应力增高区，应力峰值为7.47MPa，随开挖深度的增加，应力增高区跟随工作面向深部移动；②在图中的切片位置截取应力分布云图，采硐探入开采形成的煤壁处于工作面侧向支承压力增高区内，但未处于峰值区域，煤柱中垂直应力最大值为2.12MPa；③通过数值模拟开挖深度逐步增加，得出煤壁中垂直应力分布状态与当前截取的开挖过程基本相似，即端帮探入式开采过程中，单侧煤壁基本处于应力增高区，但未处于峰值区域，同时煤壁中应力值随开挖深度增加而不断增大，但在沿开挖方向上分布的应力，其状态与范围变化基本一致。当采硐一次开挖结束时，煤壁中应力最大值为10.07MPa，发生在达到开采深度时的工作面单侧煤壁附近。

图4 单侧煤壁开挖应力分布

5.2 支撑煤柱应力动态分布

煤柱随两侧开挖逐渐形成，一个动态过程，因此研究支撑煤柱在形成过程中，应力分布与范围的变化对指导开采过程中的设备安全、工艺参数确定、支撑煤柱稳定性具有重要意义。如图5所示，为研究煤柱两侧开挖过程形成煤柱内垂直应力分布，沿箭头所示的开挖位置和方向，将煤柱四等分，并截取应力云图。

图5 支撑煤柱应力动态分布

研究发现，沿切片平行于巷道断面的横向方向上，巷道煤柱侧应力增高区向实体煤深部转移，煤柱周围应力分布呈现“驼峰”型趋势，距离工作面越近，“驼峰”的趋势越明显，但采深的增加，开口端附近应力无明显分布规律，应力大小趋于统一值。

沿开采纵深方向上，煤柱支撑应力动态分布呈以下规律：①煤柱两侧开挖后受工作面超前支承压力的影响，煤柱前方出现应力集中，应力峰值达10.67MPa；②随开采深度的增加，煤柱内应力值呈现先增大后减小的趋势，切片1位置煤柱内应力最大值为3.09MPa，切片2位置煤柱内应力最大值为9.22MPa，切片三位置应力煤柱内应力最大值为2.07MPa。

5.3 区段内煤柱应力分布特征

第一区段内完成开采之后，为研究此时应力在区段内的总体分布情况，并为后续区段开采煤柱稳定性提供研究基础资料，截取沿开采推进方向上90m、150m、210m、270m的不同深度煤柱垂直应力分布云图，如图6所示，结论如下：

图6 不同深度组内煤柱应力分布

1)采场顶板压力形成的载荷主要依靠支撑煤柱共同承载，相同深度的支撑煤柱承受压力基本保持不变。

2)90m、150m、210m、270m对应的煤柱内应力最大值依次为12.90MPa、10.00MPa、7.53MPa、5.20MPa，表明开采结束后，整个区段间内的煤柱应力重新分布，即随采深的增加，应力呈逐渐减低的趋势。

5.4 永久煤柱应力分布特征

随采硐数量的不断增加，采空范围增大，需要留设宽度较大的区段永久煤柱作为保证采场稳定性的重要因素，因此研究区段间永久煤柱应力分布特征是露天煤矿端帮开采煤柱的稳定性研究中的重要组成部分。图7为两侧采硐开挖后形成永久煤柱的应力分布图，研究结果如下：

图7 不同深度各煤柱应力分布

1)通过切片1、2位置的应力云图发现，在开采过程中，永久煤柱受两侧采动影响，煤柱中应力分布呈现“峰型”趋势，应力最大值达11.03MPa，煤柱中间煤体为弹性核区，承担采场上部顶板所传递的大部分载荷。

2)从纵深角度分析，开采过程中从初采位置至采场深部，区段间永久煤柱应力呈现先增大后减小的变化趋势，高峰值区域主要集中在距采深在50m左右的位置，应力峰值达到13.85MPa，分析认为，由于采场范围增大，采空区上覆岩体边坡端逐渐形成类似“悬臂梁”的结构，受采动影响，其主要载荷逐渐向岩体自由端转移。

3)分析图10中三组工作面开采后不同深度(80m、160m、240m)各煤柱的垂直应力分布状态，采场中应力分布状态呈现“驼峰”型分布趋势，应力集中出现在两侧实体煤以及永久煤柱中，而两侧支撑煤柱的应力状态变化较小，并呈现对称趋势分布。

4)对比不同深度各煤柱应力分布，由初采位置至工作面深部，整体状态呈现先增大后减小再增大的起伏变化状态，在距离初采位置35m附近时，应力达到峰值25.17MPa，分析原因认为靠近初采位置，受开采扰动导致边坡自由端运动，上覆岩层载荷向开口位置转移的结果。

6 结 论

1)随采深的增加，临界载荷呈类似于幂函数逐步降低，初采50m以内减弱较为迅速；随着煤柱宽度的增加，临界载荷呈类似于指数型函数关系增加。

2)单侧煤壁应力动态分布规律如下：工作面前方煤壁出现应力增高区，应力增高区跟随工作面向深部移动；煤壁处于工作面侧向支承压力增高区内，但未处于峰值区域；煤壁中应力值随开挖深度增加而不断增大，但其状态与范围变化基本一致。

3)支撑煤柱应力动态分布规律如下：煤柱侧应力增高区向实体煤深部转移，应力分布呈现“驼峰”型，并随采深增加“驼峰”的趋势明显；沿开采纵深方向上，受工作面超前支承压力的影响，煤柱前方出现应力集中，随开采深度的增加，煤柱内应力值呈现先增大后减小的趋势。

4)区段内煤柱应力分布特征如下：采场顶板压力形成的载荷主要依靠支撑煤柱共同承载，相同深度的支撑煤柱承受压力基本保持不变；区段开采结束后，整个区段间内的煤柱应力重新分布，即随采深的增加，应力呈逐渐减低的趋势。

5)永久煤柱应力分布特征如下：开采过程中，永久煤柱受两侧采动影响，煤柱中应力分布呈现“峰型”趋势，煤柱中间的煤体为弹性核区；开采过程中从初采位置至采场深部，区段间永久煤柱应力呈现先增大后减小的变化趋势，高峰值区域主要集中在距采深在50m左右的位置；开采结束后采场中应力分布状态呈现“驼峰”型分布趋势，应力集中出现在两侧实体煤以及永久煤柱中，而两侧支撑煤柱的应力状态变化较小，并呈现对称趋势分布。