阅读说明：本技术 一种复合煤层端帮开采煤柱参数设计方法 (Method for designing parameters of pillar mining at end slope of composite coal seam ) 是由 曹兰柱 周晶 丁春健 姜聚宇 于 2021-09-18 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种复合煤层端帮开采煤柱参数设计方法,步骤为：计算上层煤柱不同采宽下所受荷载、煤柱强度及安全系数,根据安全系数确定合理上层煤柱留设宽度；分析上层煤柱的竖向附加应力,得出所受荷载大小,判断下层煤柱开采可行性；应用FLAC3D对不同宽度的支撑煤柱进行数值模拟,确定下层煤柱合理支撑煤柱的宽度。本发明基于复合煤层的力学性质,分析上层煤柱应力向下传递规律及分布特征,结合数值模拟手段,提出一种新的复合煤层端帮开采支撑煤柱参数设计方法,为提高煤炭资源利用率、确保端帮开采安全生产提供科学手段。(The invention discloses a method for designing parameters of a composite coal seam end slope mining coal pillar, which comprises the following steps: calculating the load borne by the upper coal pillar under different mining widths, the strength of the upper coal pillar and a safety coefficient, and determining a reasonable reserved width of the upper coal pillar according to the safety coefficient; analyzing the vertical additional stress of the upper coal pillar to obtain the size of the load, and judging the exploitation feasibility of the lower coal pillar; and (4) carrying out numerical simulation on the support coal pillars with different widths by using FLAC3D to determine the width of the reasonable support coal pillars of the lower coal pillars. The invention provides a novel design method for parameters of an end slope mining supporting coal pillar of a composite coal seam by analyzing the downward transmission rule and distribution characteristics of the stress of the upper coal pillar based on the mechanical properties of the composite coal seam and combining a numerical simulation means, and provides a scientific means for improving the utilization rate of coal resources and ensuring the safe production of the end slope mining.)

一种复合煤层端帮开采煤柱参数设计方法

技术领域

本发明属于露天开采的技术领域，尤其涉及一种复合煤层端帮开采煤柱参数设计方法。

背景技术

我国露天矿开采大多为多煤层煤田，如平朔露天矿、伊敏露天矿、霍林河露天矿等，大型露天煤矿开采后，往往面临着端帮压煤难以回采的问题。端帮滞留煤不仅造成严重的资源浪费，还可能引发自燃，产生环境污染及安全隐患问题，使得端帮压煤问题日益突出。

采用端帮开采工艺对端帮下压覆煤层进行回采过程中，支撑煤柱的留设参数是回采作业的关键，支撑煤柱一旦失稳破坏，可能会引发多诺米骨牌效应使得边坡失稳，导致人员伤亡和机械压埋等损失。露天煤矿研究学者对端帮压煤回采支撑煤柱参数设计问题进行了积极的研究与探索，现有的煤层开采支撑煤柱尺寸设计理论借鉴于井工开采经验，多针对单一煤层开采，不能很好的解释露天矿的煤层开采层间应力传递机理。

因此，迫切需要提出一种端帮开采煤柱参数设计方法，填补在复合煤层支撑煤柱设计与稳定性研究方面的不足。

发明内容

基于以上现有技术的不足，本发明所解决的技术问题在于提供一种复合煤层端帮开采煤柱参数设计方法，分析上层煤柱应力向下传递规律及分布特征，结合数值模拟手段，提高煤炭资源利用率、确保端帮开采安全生产。

为了解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案来实现：

本发明提供一种复合煤层端帮开采煤柱参数设计方法，包括以下步骤：

S1：计算上层煤柱不同采宽下所受荷载、煤柱强度及安全系数，根据安全系数确定合理上层煤柱留设宽度；

S2：分析上层煤柱的竖向附加应力，得出所受荷载大小，判断下层煤柱开采可行性；

S3：应用FLAC3D对不同宽度的支撑煤柱进行数值模拟，确定下层煤柱合理支撑煤柱的宽度。

进一步的，在步骤S1中，上层煤柱所受荷载为：

其中，P₀为上层煤层所受荷载，H为埋藏深度；γ为上覆岩层平均容重；a为煤柱宽度；b为采硐宽度。

进一步的，在步骤S1中，煤柱强度为：

其中，σ_zl为煤柱强度，σ_c为25mm立方体煤样的强度，h为煤柱高度，W_e为等效煤柱宽度。

进一步的，在步骤S2中，上层煤柱的竖向附加应力为：

其中，σ_z为上层煤柱的竖向附加应力，Z为上下两层煤间距值。

由上，本发明基于Bossinesq支撑煤柱受力模型，得出露天矿端帮开采复合煤层上层煤柱附加应力大小及传递规律，应用FLAC3D对支撑煤柱进行数值模拟，提出在满足煤柱稳定性的情况下设计下层煤层合理的支撑煤柱尺寸的方法。基于复合煤层的力学性质，分析上层煤柱应力向下传递规律及分布特征，结合数值模拟手段，提出一种新的复合煤层端帮开采支撑煤柱参数设计方法，为提高煤炭资源利用率、确保端帮开采安全生产提供科学手段。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下结合优选实施例，并配合附图，详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍。

图1为本发明的复合煤层端帮开采煤柱参数设计方法的流程图；

图2为支撑煤柱荷载示意图；

图3为采用FLAC3D对不同宽度的下层煤柱的数值模拟图，(a)为下层煤柱采宽6.5m；(b)为下层煤柱采宽7.0m；(c)为下层煤柱采宽7.5m。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式，其作为本说明书的一部分，通过实施例来说明本发明的原理，本发明的其他方面、特征及其优点通过该详细说明将会变得一目了然。在所参照的附图中，不同的图中相同或相似的部件使用相同的附图标号来表示。

与单一煤层开采不同的是，上部煤层进行开采后，由于原岩应力和采动的影响，煤柱支承压力传递到底板后，在底板经过应力集中、传递，最终形成底板岩层应力分布形式。当上下两层煤层间距小到一定程度时，煤层间的相互影响非常显著，力学机制更为复杂。

如图1至图3所示，本发明的复合煤层端帮开采煤柱参数设计方法，包括以下步骤：

第一步：计算上层煤柱不同采宽下所受荷载P0、煤柱强度σzl及安全系数，根据安全系数确定合理上层煤柱留设宽度；

第二步：分析上层煤柱的竖向附加应力，得出所受荷载大小，判断下层煤柱开采可行性；

第三步：应用FLAC3D对不同宽度的支撑煤柱进行数值模拟，确定下层煤柱合理支撑煤柱的宽度。

在本发明中，需要对上部煤层受力以及向下传递的附加应力进行分析。首先对上层煤柱的上覆荷载(如图2所示)与强度进行计算，通过经验公式确定上部煤层支撑煤柱合理留设宽度，利用弹性力学的Boussinesq解理论对上层支撑煤柱下任一点M(X，Y，Z)附加应力进行分析计算，下部煤层所受荷载为煤层顶板以上原岩应力加上上部煤层的附加应力之和，当煤柱强度足以支撑上覆荷载时，对此双层煤柱进行数值模拟，确定下部煤柱尺寸。在端帮开采工程中，煤柱在边坡倾向上采深长度要远大于留设宽度，因此对支撑煤柱进行平面应变分析，将多个支撑煤柱的竖向附加应力进行叠加，得到上层煤柱的荷载对底板岩层的应力传递大小及深度。本发明通过下行开采方式依次确定上下煤层支撑煤柱留设宽度，从而确保安全回采。

上层煤柱所受荷载为：

煤柱强度为：

设端帮回采留设支撑煤柱数为n，多个集中荷载竖向附加应力为：

将上下两层煤间距值带入上式z中，得到下层煤柱所受荷载，同时对煤柱强度进行计算，当煤柱强度大于上部煤层传下来的竖向荷载，则可进行下部煤层回采，支撑煤柱倾向方向上最大竖向均布荷载在支撑煤柱最深处取得，对最深部工程位置剖面进行数值模拟，分析塑性区分布特征，不同宽度下支撑煤柱失稳破坏方式均为剪切破坏，随着煤柱宽度的增大，煤柱两侧塑性区范围在逐渐减小，当煤柱中间位置存在一定比例弹性核区，塑性区未贯通，煤柱处于稳定状态，取该种状态下的煤柱宽度为设计煤柱宽度参数。

式中，

P₀—上层煤层上覆荷载(kN/m²)；

γ—上覆岩层平均容重(kN/m³)；

a—煤柱宽度；

b—采硐宽度；

σ_zl—煤柱强度，(MPa)；

σ_c—25mm立方体煤样的强度，(MPa)；

h—煤柱高度，(m)；

W_e—等效煤柱宽度，W_e＝2a，(m)；

H—埋藏深度，(m)；

σ_z—竖向方向的附加正应力(MPa)；

r_i—点M(X,Y,Z)在XOY面与集中荷载的距离。

实施例

某露天矿区内由下至上各地层主要岩性分别为基岩、泥沙岩互层、9煤、泥砂岩互层、4煤、细砂岩、表土，主要开采4号和9号煤层，煤层间距约36m。南端帮中4煤、9煤厚度较大、煤层近水平、赋存稳定，同时由于边帮压覆资源量大，适宜采用端帮滞留煤回采工艺。开采设备采宽为3.3m，采高为4m，设计采深150m。岩层基本参数见表1。

表1煤岩层力学参数

复合煤层支撑煤柱参数确定

(1)计算上部煤层不同煤柱宽度的安全系数，根据端帮开采的实际开采条件及地质条件，要求支撑煤柱安全系数在1.3以上，确定上部煤柱宽度为5.5m。

表2经验公式计算结果

应用Boussinesq解理论的集中荷载叠加公式计算上层煤柱竖向荷载，确定下层煤柱所受荷载为

计算结果表明下层开采可行，采用FLAC3D对不同宽度的下层煤柱进行数值模拟，通过塑性区分布确定下层煤柱合理宽度为7.0m。

以上所述是本发明的优选实施方式而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和变动，这些改进和变动也视为本发明的保护范围。