史智元

(1.中煤科工開采研究院有限公司，北京 100013；2.天地科技股份有限公司 開采設計事業(yè)部，北京 100013；3.煤炭科學研究總院 開采研究分院，北京 100013)

科學采礦是指在保證安全的前提下、在環(huán)境容量的允許范圍內(nèi)，經(jīng)濟、高效、高采出率地采出煤炭[1]。當前，我國多數(shù)大型露天煤礦由于開采設計與工藝限制的原因，多數(shù)采用分區(qū)開采、高強度推進，造成端幫高陡，地表境界與底部境界的大量煤炭被端幫邊坡壓覆，排土場重新掩埋之后，造成永久損失和資源浪費[2]。據(jù)不完全統(tǒng)計，我國露天開采端幫壓煤占資源量的20%左右[3]。年產(chǎn)量超過千萬噸的15座大型露天煤礦中，端幫滯留煤炭資源在1億t以上的煤礦13座，端幫滯留煤炭資源在2億t以上的煤礦5座[4]，以哈爾烏素露天煤礦為例，如果能夠提高1°端幫邊坡角，每年可多回收煤炭資源15萬t。由此可見露天煤礦端幫壓賦的煤炭資源數(shù)量巨大，具有重大經(jīng)濟效益與現(xiàn)實意義。

露天礦開采后殘存的大量端幫滯留煤進行開采時，確定留設煤柱的穩(wěn)定性一直是端幫采煤工藝高效應用推廣的突出難題[5]。目前，國內(nèi)外從事露天煤礦研究的學者對端幫相關(guān)課題進行了積極有益的探索[6-15]。

現(xiàn)有研究成果，或是針對煤柱穩(wěn)定性，或是針對煤柱寬度及邊坡角度進行研究，而關(guān)于端幫開采過程中煤柱在開采過程中的應力時空分布特征的文章卻鮮有報道。因此，在掌握當前端幫開采工藝的基礎上，充分考慮煤柱兩側(cè)開采過程中應力演變過程，建立力學模型，對煤柱群破壞及失穩(wěn)次序，煤層頂板運動特征及工作面壓架機理進行了分析研究。對今后露天煤礦建立端幫探入式開采中巖層運動與工作面動壓的時空對應關(guān)系，預測工作面壓機發(fā)生條件及位置具有重要的現(xiàn)實意義，為類似條件的露天煤礦端幫工作面安全開采提供理論指導。

1 工程概況

源通長富煤礦位于桌子山煤田，內(nèi)蒙古烏海市海南區(qū)東約5km處。整合后的長富礦北幫16-1煤層壓煤嚴重，煤層自然厚度1.37～5.61m，平均3.95m，煤層露頭標高+1024m，屬于近水平煤層，本次主要研究北幫壓煤區(qū)域，煤層物理力學參數(shù)見表1。

表1 煤層物理力學參數(shù)

2 端幫探入式采煤工藝

端幫條帶式采煤工藝，以探入式開采為主，采煤機利用慣性導航技術(shù)，探入深度為100～300m。采出的煤炭通過單元速連膠帶運輸系統(tǒng)運出。開采過程中，工人不進入采硐內(nèi)部，采硐無需支護，特殊情況需要通風、降塵的工序。為了保證覆巖層和巷道的穩(wěn)定，防止滑坡的發(fā)生，采硐間留設支撐煤柱，以確保支護安全，每隔10～20個支撐煤柱留設永久煤柱，永久煤柱寬度通常為支撐煤柱寬度的3～4倍。

3 端幫探入式煤柱穩(wěn)定性理論分析

3.1 煤柱應力分布力學模型

端幫支撐煤柱一般是規(guī)則的長方體，依據(jù)其特征將煤柱簡化為一邊固定一邊自由兩邊簡支厚度均勻的矩形薄板，其中實體煤側(cè)為固支端約束，端幫煤層出露面為自由邊界，煤柱上、下邊界為簡支約束，模型中用線性分布載荷簡化上覆巖層的重力作用，最大值為σ0，煤柱高度為h，寬度為a，采深為l，煤柱兩側(cè)塑性區(qū)的寬度為xp，則煤柱彈性核區(qū)寬度t=a-2xp。

通過假設煤柱臨界穩(wěn)定撓度函數(shù)，求解線性分布載荷作用下煤柱變形能和載荷所做功，利用能量方法推導煤柱穩(wěn)定性臨界載荷計算公式[4]：

3.2 采深對臨界載荷影響

公式(1)中彈性模量E取2.055GPa，泊松比μ取0.28，h取4m，xp取0.6m，a取1.5m，計算開采深度l在0～300m時臨界載荷隨采深的變化規(guī)律，如圖1所示。

由圖1可知，在端幫初采階段，采深度從0逐漸增大至50m的過程中，支撐煤柱臨界載荷σ0急速降低，表明使煤柱由原來穩(wěn)定平衡狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)椴环€(wěn)定狀態(tài)的的最大載荷迅速降低，即煤柱穩(wěn)定性迅速減弱。之后采深從50m增大至300m，σ0緩慢減小，表明此時煤柱穩(wěn)定性趨于平穩(wěn)。即臨界載荷隨采深變化關(guān)系類似冪函數(shù)圖像，整體上隨著采深的增加，煤柱穩(wěn)定性逐步降低，但在初采階段減弱較為迅速，后續(xù)減弱趨于平緩。

圖1 臨界載荷隨采深變化關(guān)系

3.3 煤柱寬度對臨界載荷影響

公式中l(wèi)取300m時，其余值保持不變，計算a為1.4～1.8m時，臨界載荷隨支撐煤柱寬度的變化規(guī)律。

臨界載荷隨煤柱寬度變化關(guān)系如圖2所示，端幫開采煤柱的穩(wěn)定性與其寬度密切相關(guān)，隨著煤柱寬度增加，臨界載荷呈類似于指數(shù)型函數(shù)關(guān)系增加。從整體上看，隨著煤柱寬度的增加，煤柱穩(wěn)定性急劇增加，即在相似工程實踐中的，支撐煤柱寬度是決定煤柱穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。

圖2 臨界載荷隨煤柱寬度變化關(guān)系

4 端幫探入式煤柱穩(wěn)定性數(shù)值模擬

根據(jù)內(nèi)蒙古源通長富煤礦地質(zhì)資料及現(xiàn)場情況，對研究對象所處地貌進行簡化，建立如圖3所示剖面圖，模型尺寸長×寬×高=500m×161m×350m，煤層厚度為4m，埋深250m。模型邊界選擇四周簡支，底部固支，其中斜坡與頂部邊界為自由邊界。開采方式采用探入式開采，工作面采寬3m、采高4m、采深300m，條帶煤柱寬度為1.5m，每11個工作面(10個煤柱)為一區(qū)段，區(qū)段間永久煤柱寬度為5m，開采煤層位于坡面的下方，所以采用線性分布載荷模擬上覆巖層的重力作用。為研究開采過程各煤柱應力分布變化以及變形破壞規(guī)律，使用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，建立數(shù)值模擬模型，用Extrusion細劃煤柱網(wǎng)格。煤層頂?shù)装辶W參數(shù)見表1。

圖3 工程地質(zhì)剖面(m)

5 煤柱群動態(tài)失穩(wěn)結(jié)構(gòu)模型力學分析

端幫探入式開采過程中，采場上覆巖層的重量主要由支撐煤柱和永久煤柱承擔，支護方式單一。由于某條煤柱失穩(wěn)，載荷會發(fā)生轉(zhuǎn)移至相鄰煤柱，導致相鄰煤柱中載荷超出自身強度而發(fā)生連續(xù)破壞，最終影響采場穩(wěn)定性。為研究開采過程中煤柱應力分布的動態(tài)演化過程，根據(jù)上述端幫探入式開采數(shù)值模型，分別對單側(cè)煤壁應力動態(tài)分布、支撐煤柱應力動態(tài)分布、區(qū)段內(nèi)內(nèi)煤柱應力分布特征、區(qū)段間永久煤柱應力分布特征，進行詳細分析，具體內(nèi)容如下所述。

5.1 單側(cè)煤壁應力動態(tài)分布

單側(cè)煤壁是指在開采過程中，端幫采煤機探入開采采硐，而下一采硐尚未開采，此時煤柱尚未完全形成，以當前采硐的側(cè)幫或?qū)嶓w煤的形式存在，但對片幫、壓機等災害以及將來形成煤柱后的應力分布、范圍有一定影響。因此用Fish語言控制逐步開挖，模擬動態(tài)開采過程，研究單側(cè)開采煤柱應力動態(tài)分布。

如圖4所示，紅色線框代表將來形成煤柱的區(qū)域，箭頭指示開采位置及方向，研究結(jié)果如下：①單側(cè)開采過程中，因工作面支承壓力的作用，工作面前方煤壁出現(xiàn)應力增高區(qū)，應力峰值為7.47MPa，隨開挖深度的增加，應力增高區(qū)跟隨工作面向深部移動；②在圖中的切片位置截取應力分布云圖，采硐探入開采形成的煤壁處于工作面?zhèn)认蛑С袎毫υ龈邊^(qū)內(nèi)，但未處于峰值區(qū)域，煤柱中垂直應力最大值為2.12MPa；③通過數(shù)值模擬開挖深度逐步增加，得出煤壁中垂直應力分布狀態(tài)與當前截取的開挖過程基本相似，即端幫探入式開采過程中，單側(cè)煤壁基本處于應力增高區(qū)，但未處于峰值區(qū)域，同時煤壁中應力值隨開挖深度增加而不斷增大，但在沿開挖方向上分布的應力，其狀態(tài)與范圍變化基本一致。當采硐一次開挖結(jié)束時，煤壁中應力最大值為10.07MPa，發(fā)生在達到開采深度時的工作面單側(cè)煤壁附近。

圖4 單側(cè)煤壁開挖應力分布

5.2 支撐煤柱應力動態(tài)分布

煤柱隨兩側(cè)開挖逐漸形成，一個動態(tài)過程，因此研究支撐煤柱在形成過程中，應力分布與范圍的變化對指導開采過程中的設備安全、工藝參數(shù)確定、支撐煤柱穩(wěn)定性具有重要意義。如圖5所示，為研究煤柱兩側(cè)開挖過程形成煤柱內(nèi)垂直應力分布，沿箭頭所示的開挖位置和方向，將煤柱四等分，并截取應力云圖。

圖5 支撐煤柱應力動態(tài)分布

研究發(fā)現(xiàn)，沿切片平行于巷道斷面的橫向方向上，巷道煤柱側(cè)應力增高區(qū)向?qū)嶓w煤深部轉(zhuǎn)移，煤柱周圍應力分布呈現(xiàn)“駝峰”型趨勢，距離工作面越近，“駝峰”的趨勢越明顯，但采深的增加，開口端附近應力無明顯分布規(guī)律，應力大小趨于統(tǒng)一值。

沿開采縱深方向上，煤柱支撐應力動態(tài)分布呈以下規(guī)律：①煤柱兩側(cè)開挖后受工作面超前支承壓力的影響，煤柱前方出現(xiàn)應力集中，應力峰值達10.67MPa；②隨開采深度的增加，煤柱內(nèi)應力值呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，切片1位置煤柱內(nèi)應力最大值為3.09MPa，切片2位置煤柱內(nèi)應力最大值為9.22MPa，切片三位置應力煤柱內(nèi)應力最大值為2.07MPa。

5.3 區(qū)段內(nèi)煤柱應力分布特征

第一區(qū)段內(nèi)完成開采之后，為研究此時應力在區(qū)段內(nèi)的總體分布情況，并為后續(xù)區(qū)段開采煤柱穩(wěn)定性提供研究基礎資料，截取沿開采推進方向上90m、150m、210m、270m的不同深度煤柱垂直應力分布云圖，如圖6所示，結(jié)論如下：

圖6 不同深度組內(nèi)煤柱應力分布

1)采場頂板壓力形成的載荷主要依靠支撐煤柱共同承載，相同深度的支撐煤柱承受壓力基本保持不變。

2)90m、150m、210m、270m對應的煤柱內(nèi)應力最大值依次為12.90MPa、10.00MPa、7.53MPa、5.20MPa，表明開采結(jié)束后，整個區(qū)段間內(nèi)的煤柱應力重新分布，即隨采深的增加，應力呈逐漸減低的趨勢。

5.4 永久煤柱應力分布特征

隨采硐數(shù)量的不斷增加，采空范圍增大，需要留設寬度較大的區(qū)段永久煤柱作為保證采場穩(wěn)定性的重要因素，因此研究區(qū)段間永久煤柱應力分布特征是露天煤礦端幫開采煤柱的穩(wěn)定性研究中的重要組成部分。圖7為兩側(cè)采硐開挖后形成永久煤柱的應力分布圖，研究結(jié)果如下：

圖7 不同深度各煤柱應力分布

1)通過切片1、2位置的應力云圖發(fā)現(xiàn)，在開采過程中，永久煤柱受兩側(cè)采動影響，煤柱中應力分布呈現(xiàn)“峰型”趨勢，應力最大值達11.03MPa，煤柱中間煤體為彈性核區(qū)，承擔采場上部頂板所傳遞的大部分載荷。

2)從縱深角度分析，開采過程中從初采位置至采場深部，區(qū)段間永久煤柱應力呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢，高峰值區(qū)域主要集中在距采深在50m左右的位置，應力峰值達到13.85MPa，分析認為，由于采場范圍增大，采空區(qū)上覆巖體邊坡端逐漸形成類似“懸臂梁”的結(jié)構(gòu)，受采動影響，其主要載荷逐漸向巖體自由端轉(zhuǎn)移。

3)分析圖10中三組工作面開采后不同深度(80m、160m、240m)各煤柱的垂直應力分布狀態(tài)，采場中應力分布狀態(tài)呈現(xiàn)“駝峰”型分布趨勢，應力集中出現(xiàn)在兩側(cè)實體煤以及永久煤柱中，而兩側(cè)支撐煤柱的應力狀態(tài)變化較小，并呈現(xiàn)對稱趨勢分布。

4)對比不同深度各煤柱應力分布，由初采位置至工作面深部，整體狀態(tài)呈現(xiàn)先增大后減小再增大的起伏變化狀態(tài)，在距離初采位置35m附近時，應力達到峰值25.17MPa，分析原因認為靠近初采位置，受開采擾動導致邊坡自由端運動，上覆巖層載荷向開口位置轉(zhuǎn)移的結(jié)果。

6 結(jié) 論

1)隨采深的增加，臨界載荷呈類似于冪函數(shù)逐步降低，初采50m以內(nèi)減弱較為迅速；隨著煤柱寬度的增加，臨界載荷呈類似于指數(shù)型函數(shù)關(guān)系增加。

2)單側(cè)煤壁應力動態(tài)分布規(guī)律如下：工作面前方煤壁出現(xiàn)應力增高區(qū)，應力增高區(qū)跟隨工作面向深部移動；煤壁處于工作面?zhèn)认蛑С袎毫υ龈邊^(qū)內(nèi)，但未處于峰值區(qū)域；煤壁中應力值隨開挖深度增加而不斷增大，但其狀態(tài)與范圍變化基本一致。

3)支撐煤柱應力動態(tài)分布規(guī)律如下：煤柱側(cè)應力增高區(qū)向?qū)嶓w煤深部轉(zhuǎn)移，應力分布呈現(xiàn)“駝峰”型，并隨采深增加“駝峰”的趨勢明顯；沿開采縱深方向上，受工作面超前支承壓力的影響，煤柱前方出現(xiàn)應力集中，隨開采深度的增加，煤柱內(nèi)應力值呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。

4)區(qū)段內(nèi)煤柱應力分布特征如下：采場頂板壓力形成的載荷主要依靠支撐煤柱共同承載，相同深度的支撐煤柱承受壓力基本保持不變；區(qū)段開采結(jié)束后，整個區(qū)段間內(nèi)的煤柱應力重新分布，即隨采深的增加，應力呈逐漸減低的趨勢。

5)永久煤柱應力分布特征如下：開采過程中，永久煤柱受兩側(cè)采動影響，煤柱中應力分布呈現(xiàn)“峰型”趨勢，煤柱中間的煤體為彈性核區(qū)；開采過程中從初采位置至采場深部，區(qū)段間永久煤柱應力呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢，高峰值區(qū)域主要集中在距采深在50m左右的位置；開采結(jié)束后采場中應力分布狀態(tài)呈現(xiàn)“駝峰”型分布趨勢，應力集中出現(xiàn)在兩側(cè)實體煤以及永久煤柱中，而兩側(cè)支撐煤柱的應力狀態(tài)變化較小，并呈現(xiàn)對稱趨勢分布。