一种露天煤矿端帮充填开采支撑煤柱参数设计方法-j9九游会真人

1.本发明涉及露天煤矿端帮充填开采技术领域，具体涉及一种露天煤矿端帮充填开采支撑煤柱参数设计方法。


背景技术：

2.一些煤炭生产基地含有大量浅埋煤层，适宜露天开采，由此产生了大量端帮压煤(滞留煤)。但是滞留煤中仍存在大量优质煤，弃采造成巨大的资源浪费。
3.端帮开采工艺在国外得到了大范围成功应用，近年来随着国内端帮开采工艺的不断发展，为滞留煤回收提供了一种新方法，其中国内专家学者提出了多种端帮开采支撑煤柱设计方法，利用端帮采煤机进行探入式开采，留设较宽煤柱，但是未充填条件下端帮开采的煤炭采出率仅为30％左右，处在低位。此外，剥离是露天矿的必然产物，大量的排弃物占用了大量的土地资源，对生态环境造成了严重破坏，露天煤矿端帮开采结合充填开采还可以降低排弃物的负面影响。
4.因此，采用端帮充填开采不仅可以减小煤柱宽度，增加资源回收率，多回收滞留煤，同时也可以将固体废弃物变废为宝，进一步实现绿色开采，推动绿色矿山建设。


技术实现要素：

5.针对现有技术的不足，本发明提出一种露天煤矿端帮充填开采支撑煤柱参数设计方法，解决露天煤矿端帮开采资源采出率低的问题。
6.一种露天煤矿端帮充填开采支撑煤柱参数设计方法，具体包括以下步骤：
7.步骤1：采集端帮开采煤层以上各岩层岩样，选择充填材料进行配比，测试岩样及充填体的物理力学参数，并且收集已完成端帮开采的端帮开采历史参数；
8.步骤2：选取煤柱安全系数fs，结合充填工艺实际情况，沿采硐方向划分条块，以最深处条块完全充填设计煤柱宽度；
9.步骤2.1：选取煤柱安全系数fs，根据采硐深度及实际充填工艺，沿着采硐方向每10m划分一个条块；
10.步骤2.2：为了最大限度提高煤炭采出率，煤柱宽度以采硐最深处条块充填率100％条件下进行设计；
11.步骤3：建立两种充填条件下煤柱受力模型，计算煤柱强度，得出煤柱宽度；
12.步骤3.1：根据充填条件将煤柱受力模型分为充填体未接顶时煤柱受力模型、充填体接顶时煤柱受力模型；
13.步骤3.2：根据煤柱受力模型分析煤柱所受应力分布；
14.步骤3.3：根据煤柱受力模型，结合上覆岩层平均容重、煤柱宽度、采硐宽度参数，通过有效区域理论计算煤柱所受荷载大小；
15.充填体未接顶时煤柱所受载荷为：
[0016][0017]
式中：ws为煤柱宽度，m；wm为采出宽度，m；
[0018]
充填体接顶时煤柱所受载荷：
[0019][0020]
式中：e1为煤柱弹性模量；e2为充填体弹性模量；
[0021]
步骤3.4：基于朗肯土压力理论，根据煤柱受力模型，判断煤柱所受哪种土压力类型，计算出煤柱受到的侧向应力；
[0022]
充填体未接顶时煤柱所受平均侧向应力为：
[0023][0024]
式中：γf为充填体为容重，kn/m3；cf为充填体粘聚力，kpa；k
p
为被动土压力系数；为充填体内摩擦角，
°
；
[0025]
充填体接顶时煤柱所受平均侧向应力为：
[0026][0027]
式中：ka为主动土压力系数；
[0028]
步骤3.5：根据cimfr煤柱强度经验公式求出未充填时各参数下煤柱强度，结合mohr-coulomb强度准则求出未充填时煤柱的侧向应力；
[0029]
未充填时煤柱强度具体为：
[0030][0031]
式中：σ
zl1
为煤柱强度，mpa；σc为25mm
×
25mm
×
25mm立方体煤样的强度，mpa；h为煤柱高度，m；we为等效煤柱宽度，we＝2ws，ws为煤柱宽度，m；h为埋藏深度，m；
[0032]
未充填时煤柱的侧向应力具体为：
[0033][0034]
式中：为煤柱内摩擦角，
°
；
[0035]
步骤3.6：根据步骤3.4求出的充填体提供给煤柱的侧向应力，和步骤3.5求出未充填时煤柱的侧向应力，将这两种侧向应力相加代入mohr-coulomb强度准则求出充填条件下煤柱强度；
[0036]
充填条件下煤柱强度求解公式：
[0037][0038]
式中：σ
32
是充填时煤柱受到的平均侧向应力，mpa；计算方法为所述步骤3.4；
[0039]
步骤3.7：煤柱安全系数按下式求出：
[0040][0041]
最深处条块的煤柱强度为σ
zl2
，该条块σ
zl
＝σ
zl2
；
[0042]
步骤4：对除选定最深的其他剩余条块的充填高度进行设计；
[0043]
充填高度由采硐最深到浅依次下降，某条块的煤柱强度分为两部分，未充填部分和充填部分，计算fs时带入小的煤柱强度进行计算，见下式：
[0044][0045]
其余各条块充填高度的计算以fs一致为原则，某条块充填高度按下式求出：
[0046][0047]hfh
为各条块充填高度，m；σc为25mm
×
25mm
×
25mm立方体煤样的强度，mpa；h为煤柱高度，m；we为等效煤柱宽度，we＝2ws，ws为煤柱宽度，m；h-埋藏深度，m；为煤柱内摩擦角，
°
；γf为充填体为容重，kn/m3；cf为充填体粘聚力，kpa；为充填体内摩擦角，
°
；k
p
为被动土压力系数。
[0048]
本发明的有益效果是：
[0049]
本发明提出了一种端帮充填开采支撑煤柱参数设计方法，现有端帮开采资源采出率仅为30％，但是应用本发明提出的端帮充填开采设计方法，资源采出率可大幅度提高，在本发明具体实施方式中应用，采出率达到近70％；考虑端帮充填开采是在三角载荷作用下作业，设计了端帮分段充填的方法，该方法能节省大量的充填料浆，进而降低了充填成本，提高了端帮充填开采的经济性。在提高资源回收率的同时，若使用排弃物作为充填骨料，可减少排弃物占用的土地资源，由于外排土场运距较远，一定程度上也能减少一部分运输费用。
附图说明
[0050]
图1是本发明一种露天煤矿端帮充填开采支撑煤柱参数设计方法流程图；
[0051]
图2为本发明中充填条件下煤柱受力模型；其中图a充填体未接顶时煤柱受力模型；图b充填体接顶时煤柱力学模型；
[0052]
图3为本发明中端帮充填开采条块划分示意图。
具体实施方式
[0053]
下面结合附图和具体实施实例对本发明做进一步说明。
[0054]
一种露天煤矿端帮充填开采支撑煤柱参数设计方法，如附图1所示，具体包括以下
步骤：
[0055]
步骤1：采集端帮开采煤层以上各岩层岩样，选择充填材料进行配比，测试岩样及充填体的物理力学参数，并且收集端帮开采历史参数；所述历史参数包括煤柱宽度、高度、采硐宽度；所述充填材料指向采硐内充填用的材料；
[0056]
本实施例针对某区某露天煤矿开展端帮充填开采设计，端帮开采主采煤层为4煤，煤柱尺寸6.5m，采硐高度5.5m，采硐深度150m，各岩体物理学参数见表1。
[0057]
表1岩体物理学参数见表；
[0058][0059]
步骤2：选取煤柱安全系数fs，结合充填工艺实际情况，沿采硐方向划分条块，以最深处条块完全充填为研究对象设计煤柱宽度；
[0060]
本实施例将采硐沿采深方向划分15个条块，煤柱安全系数fs＝1.5视煤柱永久稳定，以采硐最深处条块充填率100％时为研究对象。端帮充填开采条块划分示意图如附图3所示；
[0061]
步骤2.1：选取煤柱安全系数fs，根据采硐深度及实际充填工艺结合目前端帮充填实际，沿着采硐方向每10米划分一个条块；
[0062]
步骤2.2：为了最大限度提高煤炭采出率，煤柱宽度以采硐最深处条块充填率100％条件下进行设计；
[0063]
步骤3：建立两种充填条件下煤柱受力模型，计算煤柱强度，得出煤柱宽度；
[0064]
本实施例建立充填条件下煤柱受力模型，计算总侧向应力为2.58mpa，充填条件下煤柱尺寸为3m，该条件下煤柱上方荷载为7.64mpa，强度为11.7mpa，稳定系数为1.53。充填条件下煤柱受力模型如附图2所示；
[0065]
步骤3.1：根据充填条件将煤柱受力模型分为充填体未接顶时煤柱受力模型、充填体接顶时煤柱受力模型；
[0066]
步骤3.2：根据煤柱受力模型分析煤柱所受应力分布；
[0067]
步骤3.3：根据煤柱受力模型，结合上覆岩层平均容重、煤柱宽度、采硐宽度参数，通过有效区域理论计算煤柱所受荷载大小；
[0068]
充填体未接顶时煤柱所受载荷为：
[0069][0070]
式中：ws为煤柱宽度，m；wm为采出宽度，m；
[0071]
充填体接顶时煤柱所受载荷：
[0072][0073]
式中：e1为煤柱弹性模量；e2为充填体弹性模量；
[0074]
步骤3.4：基于朗肯土压力理论，根据煤柱受力模型，判断煤柱所受哪种土压力类型，计算出煤柱受到的侧向应力；
[0075]
充填体未接顶时煤柱所受平均侧向应力为：
[0076][0077]
式中：γf为充填体为容重，kn/m3；cf为充填体粘聚力，kpa；k
p
为被动土压力系数；为充填体内摩擦角，
°
；
[0078]
充填体接顶时煤柱所受平均侧向应力为：
[0079][0080]
式中：ka为主动土压力系数；
[0081]
步骤3.5：根据cimfr煤柱强度经验公式求出未充填时各参数下煤柱强度，结合mohr-coulomb强度准则求出未充填时煤柱的侧向应力；
[0082]
未充填煤柱强度具体为：
[0083][0084]
式中：σ
zl1
为煤柱强度，mpa；σc为25mm
×
25mm
×
25mm立方体煤样的强度，mpa；h为煤柱高度，m；we为等效煤柱宽度，we＝2ws，ws为煤柱宽度，m；h为埋藏深度，m；
[0085]
未充填时煤柱的侧向应力具体为：
[0086][0087]
式中：为煤柱内摩擦角，
°
；
[0088]
步骤3.6：根据步骤3.4求出的充填体提供给煤柱的侧向应力，和步骤3.5求出未充填时煤柱的侧向应力，将这两种侧向应力相加代入mohr-coulomb强度准则求出充填条件下煤柱强度；
[0089]
充填条件下煤柱强度求解公式：
[0090][0091]
式中：σ
32
是充填时煤柱受到的平均侧向应力，mpa；计算方法为所述步骤3.4；
[0092]
步骤3.7：煤柱安全系数按下式求出：
[0093][0094]
最深处条块的煤柱强度为σ
zl2
，该条块σ
zl
＝σ
zl2
；
[0095]
步骤4：对除选定最深的其他剩余条块的充填高度进行设计；
[0096]
充填高度由采硐最深到浅依次下降，某条块的煤柱强度分为两部分，未充填部分和充填部分，计算fs时带入小的煤柱强度进行计算，见下式：
[0097][0098]
其余各条块充填高度的计算以fs一致为原则，某条块充填高度按下式求出：
[0099][0100]hfh
为各条块充填高度，m；σc为25mm
×
25mm
×
25mm立方体煤样的强度，mpa；h为煤柱高度，m；we为等效煤柱宽度，we＝2ws，ws为煤柱宽度，m；h-埋藏深度，m；为煤柱内摩擦角，
°
；γf为充填体为容重，kn/m3；cf为充填体粘聚力，kpa；为充填体内摩擦角，
°
；k
p
为被动土压力系数。
[0101]
本实施例以煤柱尺寸为3m为基础，设计每个条块充填高度，设计煤柱结果见表2。
[0102]
表2各条块充填高度；
[0103]