張立海,姜玉連,畢建國(guó)

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

采硐影響條件下端幫邊坡穩(wěn)定性分析研究

張立海1,姜玉連1,畢建國(guó)2,3

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

當(dāng)前露天煤礦端幫資源探入式開采條件下,邊坡穩(wěn)定性分析未充分考慮采硐影響的具體情況。筆者對(duì)原有的剛體極限平衡法進(jìn)行改性,同時(shí)結(jié)合拉格朗日有限差分法分析邊坡穩(wěn)定性,并對(duì)邊坡穩(wěn)定系數(shù)的計(jì)算方法進(jìn)行修正和完善,采用理論計(jì)算和數(shù)值模擬相結(jié)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(shí)現(xiàn)了最高月產(chǎn)量為6萬(wàn)t的好成績(jī),取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

探入式;采硐;端幫邊坡;穩(wěn)定性

就目前的探入式開采技術(shù)和裝備而言,探入式開采在井工開采條件下的工藝已相對(duì)成熟,但在露天端幫開采條件下,無(wú)論是理論分析還是工程實(shí)踐基本處于空白的狀態(tài),尤其是在露天礦端幫探入式開采時(shí)采硐的存在對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響,目前國(guó)內(nèi)外的研究都較少,缺乏相關(guān)領(lǐng)域的協(xié)調(diào)研究和科學(xué)論證。由于采硐內(nèi)沒有支護(hù)、端幫探入式開采條件下,采硐間煤柱的留設(shè)能否有效支撐上覆巖層從而保障設(shè)備和工作面安全是一項(xiàng)技術(shù)性難題。同時(shí),傳統(tǒng)的邊坡穩(wěn)定性分析都是單純的對(duì)邊坡自身的穩(wěn)定性進(jìn)行的,而在實(shí)際的工程實(shí)踐中,由于采硐的存在,基底的承載力會(huì)逐漸減小,勢(shì)必會(huì)對(duì)邊坡的穩(wěn)定性產(chǎn)生巨大的影響,尋求一種既融入應(yīng)力-應(yīng)變因素,同時(shí)考慮采硐影響的邊坡穩(wěn)定性分析方法已成為采礦界亟待解決的技術(shù)性難題。

1 探入式開采工藝

基于露天煤礦端幫邊坡的地質(zhì)條件和賦存條件,結(jié)合探入式開采技術(shù)和裝備的特點(diǎn),探入式開采工藝具體為:利用開采設(shè)備的截割部深入煤層進(jìn)行探入式開采,截割部探入煤層的深度依據(jù)煤層的賦存條件決定(端幫采煤機(jī)探入煤層的深度最大可至300 m),利用設(shè)備自帶的可連接、可伸縮的刮板運(yùn)輸系統(tǒng)將煤炭運(yùn)出,在相鄰的采硐間留設(shè)一定寬度的支撐煤柱以支撐頂板,在一定數(shù)量的采硐回采完畢后留設(shè)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(jiǎn)單易操作,采硐內(nèi)無(wú)需支護(hù),安全系數(shù)大,回收率較高,具有較大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

2 采硐影響條件下邊坡穩(wěn)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(huì)對(duì)邊坡穩(wěn)定性產(chǎn)生重大的影響,因此,需對(duì)采硐對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響進(jìn)行詳細(xì)科學(xué)的理論分析和研究,在已有的理論模型和計(jì)算公式的基礎(chǔ)上,對(duì)模型和公式進(jìn)行融合和改進(jìn),得出采硐影響條件下的邊坡穩(wěn)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(jīng)歷彈性變形階段,基于此建立彈性模型,它主要表現(xiàn)為線性應(yīng)力-應(yīng)變特性,且各向同性,能夠適用于連續(xù)、均質(zhì)的彈性材料[2]。

2) Mohr-Coulumb塑性模型:此模型適用于粘結(jié)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(jì)算準(zhǔn)確率較高,在實(shí)際的工程實(shí)踐中得到了廣泛應(yīng)用。

在實(shí)際的露天礦邊坡穩(wěn)定性分析時(shí),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(wěn)定性分析采用彈性模型和Mohr-Coulumb模型進(jìn)行計(jì)算[3]。

2.2改進(jìn)的計(jì)算體系

在傳統(tǒng)的邊坡滑坡計(jì)算中,主要研究體積模量K和剪切模量G對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響,并沒有考慮彈性模量E和泊松比ν對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響[4]。 (K,G)與(E,ν)的對(duì)應(yīng)關(guān)系如下:

(1)

(2)

基于傳統(tǒng)的計(jì)算體系存在計(jì)算缺陷和不足,故采用改進(jìn)的計(jì)算體系(改進(jìn)的強(qiáng)度折減法)對(duì)端幫邊坡穩(wěn)定性系數(shù)進(jìn)行計(jì)算和分析,其主要內(nèi)容為:

在對(duì)邊坡穩(wěn)定系數(shù)的計(jì)算過程中,引入一個(gè)特定的數(shù)值Ftrial,此數(shù)值稱為折減系數(shù),將邊坡巖體材料的粘聚力c、內(nèi)摩擦角φ都除以這個(gè)折減系數(shù),由此便得到了新的c′、φ',然后將新得到的c′、φ'作為計(jì)算參數(shù)帶入有限元中進(jìn)行分析計(jì)算,當(dāng)邊坡巖體所承受的施加強(qiáng)度達(dá)到設(shè)定的臨界破壞狀態(tài)時(shí),此時(shí)對(duì)應(yīng)的折減系數(shù)便被稱為邊坡的最小穩(wěn)定系數(shù)Fos[5],公式如下:

(3)

(4)

影響邊坡穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素是巖體的抗剪強(qiáng)度、內(nèi)摩擦角和粘聚力。巖體在剪切面上所承受的最大剪應(yīng)力超過其自身所能承受的抗剪極限時(shí),邊坡就會(huì)發(fā)生失穩(wěn)或破壞。

3 工程實(shí)踐

基于上述的理論分析結(jié)果和計(jì)算方法的改進(jìn),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(shí)現(xiàn)煤炭資源的安全開采,在進(jìn)行資源開采前選取典型剖面進(jìn)行穩(wěn)定性分析,初步得出目前端幫穩(wěn)定性情況如圖2所示,穩(wěn)定性系數(shù)Fs在1.8以上,穩(wěn)定系數(shù)數(shù)值較大,完全滿足回采對(duì)穩(wěn)定系數(shù)的要求,故可進(jìn)行端幫煤炭資源開采。在煤層回采過程中,穩(wěn)定性系數(shù)會(huì)逐漸減低,經(jīng)過科學(xué)合理的理論計(jì)算得出,在采硐間留設(shè)寬度為1.5 m的支撐煤柱,待5個(gè)采硐回采完畢后留設(shè)6 m的永久煤柱,經(jīng)過大量的計(jì)算可得,邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)Fs最小值為1.16,大于邊坡穩(wěn)定對(duì)穩(wěn)定系數(shù)的數(shù)值要求,開采時(shí)的端幫穩(wěn)定性情況如圖3所示。

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

圖3 開采時(shí)邊坡穩(wěn)定性情況Fig.3 Stability of slope during mining

為了保證在進(jìn)行端幫開采時(shí)不會(huì)發(fā)生邊坡破壞或滑移,出現(xiàn)危及設(shè)備和人員的情況,考慮到剛體極限平衡法計(jì)算時(shí)沒有考慮變形的影響,為了保證結(jié)論的準(zhǔn)確性和科學(xué)性,利用數(shù)值模擬技術(shù)進(jìn)行三維建模評(píng)價(jià)[6],采用的計(jì)算指標(biāo)如表1。

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)

由數(shù)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(chǎn)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(wěn)定系數(shù)必然下降,但并沒有形成大范圍的邊坡滑移,不會(huì)出現(xiàn)因滑坡而導(dǎo)致壓覆設(shè)備的情況,只是在局部出現(xiàn)小范圍的片幫[7];從剪切應(yīng)變?cè)隽繄D(圖6)分析得出,因煤層上覆土層的抗剪強(qiáng)度較小而發(fā)生局部片幫,煤層抗剪強(qiáng)度較大沒有發(fā)生片幫,局部的小范圍片幫屬于正?，F(xiàn)象,不會(huì)影響邊坡的整體穩(wěn)定性,保證了工作面的安全生產(chǎn)。在詳細(xì)分析論證可實(shí)現(xiàn)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(chǎn)量為6萬(wàn)t,平均月產(chǎn)量為5.2萬(wàn)t,實(shí)現(xiàn)了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)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(yīng)變?cè)隽繄DFig.6 Increment graph of shear strain

4 結(jié)論

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

2)利用彈性模型和Mohr-Coulumb模型對(duì)采硐影響下的邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析研究,并引入改進(jìn)的強(qiáng)度折減法對(duì)邊坡穩(wěn)定系數(shù)Fs進(jìn)行計(jì)算,創(chuàng)造了新的計(jì)算體系。

3)經(jīng)過科學(xué)的理論計(jì)算和模擬分析,五彩灣煤礦進(jìn)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(shí)現(xiàn)了最高月產(chǎn)量為6萬(wàn)t的好成績(jī),獲得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

[1] 李洪,耿獻(xiàn)文.區(qū)段煤柱寬度的實(shí)測(cè)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(jié)構(gòu)分析的露天煤礦邊坡角優(yōu)化[J].煤炭技術(shù),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(chǎng)邊坡參數(shù)優(yōu)化[J].煤炭技術(shù),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(zhuǎn)地下開采過渡前期高效開采方案研究[J].中國(guó)礦業(yè),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(wěn)定性理論與分析方法研究進(jìn)展[J].中國(guó)礦業(yè),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(xué)滿.煤礦采場(chǎng)“豎三帶”的確定方法及應(yīng)用[J].煤炭科學(xué)技術(shù), 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(dá),王家臣,王進(jìn)學(xué).房柱式開采上覆巖層破壞與跨落機(jī)理[J].煤炭學(xué)報(bào),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(xiàng)目支持(201601D202051);山西天地煤機(jī)裝備有限公司自立項(xiàng)目(M2017-01)

張立海(1964-),男,山東德州人,本科,工程師,從事煤礦技術(shù)管理工作。

TD824.71

A

(編輯:楊 鵬)