露天煤礦端幫遺煤開采頂板破斷特征研究

張繼業,張偉勝

(鄭州煤礦機械集團股份有限公司,河南 鄭州 450010)

露天煤礦受開采工藝的限制,往往在端幫壓留大量的煤炭,主要包括端幫煤柱、排土場壓煤等,大大降低了煤炭采出率,造成較大的資源浪費,同時帶來了遺煤自燃、礦區環境污染等問題。為順應煤炭行業安全、高效、綠色發展理念,實現易采資源與復雜難采資源共采,提出了露天開采與井工開采技術相結合的采煤工藝,實現端幫遺煤回收。

如何安全高效回收端幫壓煤資源,實現工作面安全支護,眾多學者針對端幫回采覆巖破壞特征、頂板運動規律和礦壓顯現規律開展了研究[1-7]。丁鑫品等[8]通過數值模擬方法,對端幫采煤邊坡變形破壞進行研究,提出合理留設煤柱控制采場覆巖活動;丁其樂[9]將端幫井工工作面頂板視為薄板結構,并對頂板變形破斷特征進行了分析;李燾[10]基于彈性地基理論分析端幫壓煤開采頂板破斷特征,并給出了頂板來壓步距的估算方法;呂進國等[11]通過構建井工—露天開采條件,研究端幫回采覆巖與地表變形破壞規律;王東等[12]研究了端幫工作面煤柱突變失穩條件,確定了合理的煤柱寬度;韓陽[13]通過相似模型模擬研究端幫工作面頂板破壞規律和頂板結構特征。

本文采用理論分析與數值模擬相結合的方法研究端幫遺煤井工工作面頂板破斷特征,研究可為工作面來壓預警提供理論依據,具有重要的理論意義。

1 工程背景

1.1 礦井概況

內蒙古某露天煤礦地表東西長6.75 km,南北寬5.15 km,面積36.09 km2。主采5煤與6煤,煤層由南向北傾,傾角小于5°,5煤平均厚度13 m,6煤平均厚度32 m,容重1.35 m3/t,煤類為褐煤,剝離采用單斗—卡車間斷工藝,原煤采用單斗—卡車—地面半移動式破碎站—帶式輸送機半連續開采工藝,核定生產能力28 Mt/a。最大采深約210 m,工作幫坡角10°,剝離物以泥巖、砂質泥巖、粉砂巖、炭質泥巖為主,局部有含礫泥巖、中砂巖等。

1.2 巖性組合與物理力學特征

5煤頂板由砂礫巖、砂質泥巖、泥巖、細砂巖等組成。其中砂礫巖大多為泥質膠結,砂礫結構,塊狀構造,礦物成分為長石、石英及黏土礦物,巖芯破碎,局部為柱狀、短柱狀,RQD為0～65%,巖體完整性差,上不層段破碎,水浸易崩解,透水性較好,抗壓強度0.06～21.00 MPa;泥巖、砂質泥巖為泥質膠結,局部含礫石或炭屑,礦物成分為黏土礦物、長石,RQD為50%～70%,巖體質量中等完整,遇水易崩解,其中泥巖抗壓強度0.19～10.90 MPa,砂質泥巖抗壓強度0.23～56.20 MPa,且風干強度明顯大于自然強度;細砂巖呈灰色,泥質膠結,細粒結構,礦物成分為長石、石英,斷面不平整,局部含炭屑,RQD大于65%,巖體質量中等完整—較完整,浸水易崩解,抗壓強度1.21～3.08 MPa,透水性較好。

5煤-6煤底巖組主要由5煤、泥巖、砂質泥巖、細砂巖及6煤組成,其中泥巖、砂質泥巖及細砂巖互層分布,局部地段有缺失。該巖組段砂質泥巖呈灰色,泥質結構,塊狀構造,局部含礫石或炭屑,RQD為70%～90%,巖體質量較完整,抗壓強度0.09～6.44 MPa,遇水易崩解,線膨脹率1.53～1.56;泥巖呈灰色,泥質結構,層狀構造,主要礦物成分為黏土礦物,局部含少量炭屑,RQD為80%～90%,巖體質量較完整,易風化,裂隙不發育,抗壓強度0.08～9.28;細砂巖呈灰白色,細粒結構,塊狀構造,主要礦物成分為長石、石英,斷口參差狀,局部含炭屑,RQD為80%～90%,巖體質量較完整,水浸易崩解,抗壓強度1.21～3.08 MPa,透水性較好。

1.3 礦井開采布置

礦井劃分為3個采區,即一采區、二采區和三采區。開采順序為一采區→二采區→三采區,采用扇形過渡方式,礦井規劃布置如圖1所示。

圖1 礦井規劃布置Fig.1 Mine planning and layout

根據礦井生產,現在每年推進300 m,端幫壓煤量為5煤80萬t,6煤400萬t;進入轉向區后,每年推進600 m,端幫壓煤量為5煤110萬t,6煤600萬t。為最大限度回收煤炭資源,決定布置綜合機械化放頂煤工作面進行端幫壓煤回收,工作面長回采順序為下行開采。工作面布置形式如圖2所示。

圖2 端幫綜放工作面布置Fig.2 Arrangement of end slope fully-mechanized working face

2 端幫綜放工作面頂板薄板模型力學分析

2.1 薄板模型建立

根據圖2可知,將工作面頂板視為彈性薄板,將其看作彈性矩形薄板破斷問題進行分析。端幫工作面上覆巖層已被露天開采剝離破壞,形成臺階狀,因此頂板所受載荷不是常規的均布載荷,可將其視為線性變化的載荷qz。工作面的露天開采側已采空,頂板受采空側煤柱支承作用,可看作簡支約束,實體煤側則受巖層的固支約束。綜放工作面開采后,頂板初次來壓前可以將頂板視為三邊固支一邊簡支的薄板,如圖3所示,a為工作面長度,b為工作面推進長度,h為基本頂厚度。

圖3 三邊固支一邊簡支薄板模型Fig.3 Thin plate model with three sides fixed and one side simply supported

根據彈性力學基礎理論,可得出滿足三邊固支一邊簡支的矩形薄板撓曲線方程為[14-16]:

(1)

將工作面頂板壓力看作線性變化的載荷qz;q1為上覆巖層最少時的載荷;q2為上覆巖層最多時的載荷,可以聯立得出qz的函數方程為:

(2)

q1與q2由下列公式計算:

q=γh

(3)

式中,γ為巖層容重。

根據伽遼金法,可得:

(4)

式中,D為基本頂彎曲剛度,D=Eh3/12(1-μ2)。

2.2 薄板模型力學分析

經計算分析可得矩形薄板的彎矩方程為[17]:

(5)

式中,μ為基本頂巖石的泊松比;E為基本頂巖石的彈性模量。

根據彈性力學薄板理論,可知彈性薄板內應力的關系表達式為:

(6)

隨著工作面推進,工作面懸空空間增加,頂板所受應力發生變化。當基本頂巖層所受的應力大于基本頂巖石的抗拉強度時,基本頂發生破斷,工作面發生初次來壓,應滿足條件為[17]:

{(σx)max,(σy)max}max≤σt

(7)

2.3 頂板應力分布特征分析

根據采礦地質條件和工作面布置可知,工作面長度a為200 m,基本頂為粉砂巖,厚度h為7 m,巖石單軸抗拉強度σt為2.5 MPa。將參數代入公式(5)、(6)、(7)計算,可得到當b為20 m時,模型的固支長邊上應力峰值達到巖石的單軸抗拉強度,頂板巖層將在該位置發生破斷,此時基本頂巖層應力分布情況如圖4與圖5所示。

圖4 基本頂所受σx應力分布Fig.4 Distribution of σxstress on fundamental roof

圖5 基本頂所受σy應力分布Fig.5 Distribution of σystress on fundamental roof

3 端幫綜放工作面開采數值模擬分析

3.1 數值模型建立

根據開采地質條件,采用FLAC3D模擬軟件建立數值模型[18-20],模型尺寸400 m×100 m×95 m,模型四周邊界簡支,底部固支,頂部為自由邊界。模型每2 m開挖一次,當模型計算平衡后方可進行下次開挖。數值模型如圖6所示。

圖6 數值模型構建Fig.6 Numerical modeling construction

將模型進行初始計算后,按露天開采范圍將巖層進行剝離,經計算平衡得到端幫綜放工作面模擬初始模型,如圖7所示。

圖7 模擬初始模型Fig.7 Simulate initial model

3.2 模擬結果分析

為研究工作面頂板破壞移動規律,按模擬方案對模型進行逐步開采,每2 m為一個開采循環,分析并記錄頂板巖層破壞和移動情況。當工作面推進至22 m時,工作面頂板巖層破壞范圍延伸至地表,頂板開始大范圍垮落,工作面開始發生初次來壓。工作面不同位置頂板破壞情況如圖8所示。

圖8 工作面方向不同位置頂板破壞情況Fig.8 Roof failure at different positions in working face direction

根據模擬結果可知,由于覆巖厚度的不同,工作面傾向不同位置的頂板破壞程度有所不同,工作面表現出來壓不均的情況。工作面傾向20～70 m頂板破壞至地表,該范圍發生來壓,70～200 m由于頂板巖層較厚,來壓現象相對滯后。

由圖9可知,受露天開采剝離巖層的影響,改變了巖層的受力狀態,巖層地表部分由原來的三向受力變為兩向受力,巖層產生向上的位移。當工作面開采后,上覆巖層移動,地表發生不同程度的下沉。工作面推進22 m,工作面來壓時,地表最大下沉量27 mm,地表位移差在覆巖厚度較小處最大達到54 mm,表明該位置頂板巖層運動活躍,應加強工作面頂板防護和地表邊坡穩定。

4 結論

(1)根據端幫壓煤綜放工作面開采條件,建立三邊固支一邊簡支薄板力學模型,并推導得出基本頂內彎矩分布公式。

(3)數值模擬結果顯示,工作面開采至22 m時,頂板20～70 m頂板發生破壞并開始來壓,其他位置來壓相對滯后。在覆巖厚度較小處,地表位移差最大達到54 mm,該位置覆巖運動活躍,應注意工作面頂板防護和地表邊坡穩定。