一种露天煤矿端帮充填开采支撑煤柱参数设计方法

本发明涉及露天煤矿端帮充填开采，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：

1、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。

2、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。

3、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。

技术实现思路

1、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。

2、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：

3、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；

4、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；

5、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；

6、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；

7、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；

8、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；

9、步骤3.2：根据煤柱受力模型分析煤柱所受应力分布；

10、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；

11、充填体未接顶时煤柱所受载荷为：

12、

13、式中：ws为煤柱宽度，m；wm为采出宽度，m；

14、充填体接顶时煤柱所受载荷：

15、

16、式中：e1为煤柱弹性模量；e2为充填体弹性模量；

17、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；

18、充填体未接顶时煤柱所受平均侧向应力为：

19、

20、式中：γf为充填体为容重，kn/m3；cf为充填体粘聚力，kpa；kp为被动土压力系数；为充填体内摩擦角，°；

21、充填体接顶时煤柱所受平均侧向应力为：

22、

23、式中：ka为主动土压力系数；

24、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；

25、未充填时煤柱强度具体为：

26、

27、式中：σzl1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；

28、未充填时煤柱的侧向应力具体为：

29、

30、式中：为煤柱内摩擦角，°；

31、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；

32、充填条件下煤柱强度求解公式：

33、

34、式中：σ32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；

35、步骤3.7：煤柱安全系数按下式求出：

36、

37、最深处条块的煤柱强度为σzl2，该条块σzl＝σzl2；

38、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；

39、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：

40、

41、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：

42、

43、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，°；kp为被动土压力系数。

44、本发明的有益效果是：

45、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。

技术特征：

1.一种露天煤矿端帮充填开采支撑煤柱参数设计方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种露天煤矿端帮充填开采支撑煤柱参数设计方法，其特征在于，步骤2具体为：

3.根据权利要求1所述的一种露天煤矿端帮充填开采支撑煤柱参数设计方法，其特征在于，步骤3具体为：

4.根据权利要求1所述的一种露天煤矿端帮充填开采支撑煤柱参数设计方法，其特征在于，步骤4具体为：

技术总结
本发明公开了一种露天煤矿端帮充填开采支撑煤柱参数设计方法，在获得煤层以上各岩层及充填体物理学参数的前提下，通过分析煤柱受力模型，根据有效区域理论、土压力公式计算出不同情况下煤柱荷载大小、侧向应力大小，结合CIMFR煤柱强度经验公式、Mohr‑Coulomb强度准则得到未充填部分和充填部分的煤柱强度；考虑端帮的三角载荷作用，沿采硐深度方向划分条块，兼顾煤柱安全系数对每个条块的充填高度进行设计，可省下大量的充填材料，降低充填成本；本发明既解决了目前端帮开采资源采出率低的问题，还能合理处理矿区的剥离废弃物；符合绿色矿山发展的方向，为露天煤矿端帮压煤的安全和高效充填开采提供一种新的技术方法，具有巨大的应用价值和广阔的应用前景。

技术研发人员：姜聚宇,胡亚涛,蔡明祥,高金龙
受保护的技术使用者：辽宁工程技术大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15