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一种露天端帮压煤充填开采设计方法

阅读：624发布：2020-05-16

IPRDB可以提供一种露天端帮压煤充填开采设计方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种露天端帮压煤充填开采设计方法，包括：采集端帮压煤顶板与边坡岩样，测试顶板与边坡岩样的物理力学参数；建立煤柱-充填体协同控制顶板力学模型，初步设定煤柱宽度、掘巷宽度与充实率，判定压煤顶板稳定性；采场顶板稳定后，建立边坡数值模拟模型，代入满足压煤顶板稳定性条件的煤柱宽度、掘巷宽度与充实率的设计值，判定露天端帮稳定性；根据实际充填体储存量，基于满足稳定性条件的煤柱宽度、掘巷宽度与充实率的设计值，确定煤柱宽度、掘巷宽度与充实率最终设计值。有效解决了露天端帮压煤开采扰动下端帮失稳问题，能避免压煤开采后岩体移动对端帮造成破坏性影响，实际操作性强，方法简单，方案设计合理。，下面是一种露天端帮压煤充填开采设计方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种露天端帮压煤充填开采设计方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)采集端帮压煤顶板与边坡岩样，测试顶板与边坡岩样的物理力学参数；

(2)建立煤柱-充填体协同控制顶板力学模型，初步设定煤柱宽度、掘巷宽度与充实率，判定压煤顶板稳定性；

(3)采场顶板稳定后，建立边坡数值模拟模型，代入满足压煤顶板稳定性条件的煤柱宽度、掘巷宽度与充实率的设计值，判定露天端帮稳定性；

(4)根据实际充填体储存量，基于满足稳定性条件的煤柱宽度、掘巷宽度与充实率的设计值，确定煤柱宽度、掘巷宽度与充实率最终设计值。

2.根据权利要求1所述的一种露天端帮压煤充填开采设计方法，其特征在于，所述顶板与边坡岩样的物理力学参数包括：煤柱宽度Lc、掘巷宽度Lb、充实率煤体基床系数kc、采高h、上覆岩层载荷q、顶板弹性模量E。

3.根据权利要求1所述的一种露天端帮压煤充填开采设计方法，其特征在于，所述步骤(2)中具体步骤如下：a.以顶板的旋转点O为坐标原点，垂直于工作面推进方向为x轴，顶板垂直下沉方向为w轴，建立煤柱-充填体协同控制顶板力学模型；

b.计算顶板充填开采期间最大拉应力σmax；

c.采用第一强度理论判定压煤顶板是否发生破断；

d.若压煤顶板不发生破断，进行步骤(3)；反之，根据充填体储存量，适当调整煤柱宽度、掘巷宽度与充实率，重新进行步骤(2)。

4.根据权利要求3所述的一种露天端帮压煤充填开采设计方法，其特征在于，所述最大拉应力σmax的计算方法为：其中，kc为煤体基床系数，为充实率，q为上覆岩层载荷，E为顶板弹性模量，I为顶板截面惯性矩，h为采高，Lc为煤柱宽度，Lb为掘巷宽度，kc为煤体基床系数。

5.根据权利要求3所述的一种露天端帮压煤充填开采设计方法，其特征在于，判定压煤顶板是否发生破断的方法为：σmax≤σt

其中，σt为顶板抗拉强度。

6.根据权利要求1所述的一种露天端帮压煤充填开采设计方法，其特征在于，所述步骤(3)具体步骤如下：a.利用Flac3D建立露天端帮压煤充填开采数值模型；

b.代入满足压煤顶板稳定性条件的煤柱宽度、掘巷宽度与充实率的设计值，利用有限元折减法计算充填开采的边坡安全系数Fs，判定露天端帮是否稳定；

c.若露天端帮稳定，进行步骤(4)；反之，根据充填体储存量，适当调整煤柱宽度、掘巷宽度与充实率，重新进行步骤(2)。

7.根据权利要求6所述的一种露天端帮压煤充填开采设计方法，其特征在于，判定露天端帮是否稳定的方法为：Fs≥Ks

其中，Fs为边坡安全系数，Ks为边坡稳定设计安全系数。

说明书全文

一种露天端帮压煤充填开采设计方法

技术领域

[0001] 本发明属于开采设计技术领域，具体涉及一种适用于边坡失稳破坏防治的露天端帮压煤充填开采设计方法，尤其是一种露天端帮压煤充填开采设计方法。

背景技术

[0002] 近些年来，为避免资源浪费、发火问题等，露天煤矿端帮压煤逐渐成为了煤炭企业开采的对象，而在端帮开采煤炭资源必然引起岩体的应力重新分布，从而造成端帮岩体的移动和变形，进而对端帮的稳定造成影响，为开采煤炭资源并保护端帮的稳定，可以尝试性地采用充填开采的方法进行开采。充填法开采可有效控制岩层移动，但仍不能完全避免岩层移动，不过只要上覆岩层变形量能控制在一定范围内，就不会对上部工程造成破坏性影响。因此，利用充填法开采露天端帮压煤过程中边坡稳定性的判别及充填设计具有重要意义。

发明内容

[0003] 发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种露天端帮压煤充填开采设计方法，解决露天端帮压煤开采扰动下端帮失稳问题，能避免压煤开采后岩体移动对端帮造成破坏性影响理。

[0004] 技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

[0005] 本发明的露天端帮压煤充填开采设计方法，包括以下步骤：

[0006] (1)采集端帮压煤顶板与边坡岩样，测试顶板与边坡岩样的物理力学参数；

[0007] (2)建立煤柱-充填体协同控制顶板力学模型，初步设定煤柱宽度、掘巷宽度与充实率，判定压煤顶板稳定性；

[0008] (3)采场顶板稳定后，建立边坡数值模拟模型，代入满足压煤顶板稳定性条件的煤柱宽度、掘巷宽度与充实率的设计值，判定露天端帮稳定性；

[0009] (4)根据实际充填体储存量，基于满足稳定性条件的煤柱宽度、掘巷宽度与充实率的设计值，确定煤柱宽度、掘巷宽度与充实率最终设计值。

[0010] 所述步骤(2)中具体步骤如下：

[0011] a.以顶板的旋转点O为坐标原点，垂直于工作面推进方向为x轴，顶板垂直下沉方向为w轴，建立煤柱-充填体协同控制顶板力学模型；

[0012] b.计算顶板横截面最大拉应力σmax；

[0013]

[0014] 其中，kc为煤体基床系数，为充实率。

[0015] c.采用第一强度理论(最大拉应力理论)判定压煤顶板是否发生破断；

[0016] σmax≤σt

[0017] 其中，σt为顶板抗拉强度。

[0018] d.若压煤顶板不发生破断，进行步骤(3)；反之，根据充填体储存量，适当调整煤柱宽度、掘巷宽度与充实率，重新进行步骤(2)。

[0019] 所述步骤(3)具体步骤如下：

[0020] a.建立露天端帮压煤充填开采数值模型；

[0021] b.代入满足压煤顶板稳定性条件的煤柱宽度、掘巷宽度与充实率的设计值，利用有限元折减法计算充填开采的边坡安全系数Fs，判定露天端帮是否稳定；

[0022] Fs≥Ks

[0023] 其中，Ks为边坡稳定设计安全系数。

[0024] c.若露天端帮稳定，进行步骤(4)；反之，根据充填体储存量，适当调整煤柱宽度、掘巷宽度与充实率，重新进行步骤(2)。

[0025] 有益效果：由于采用了上述技术方案，本发明通过建立煤柱-充填体协同控制顶板力学模型，采用强度理论判断压煤顶板稳定性，然后通过有限元折减法判定露天端帮稳定性，最后根据充填体储存量，确定煤柱宽度、掘巷宽度与充实率最终设计值，进而进行压煤充填开采设计。有效解决了露天端帮压煤开采扰动下端帮失稳问题，能避免压煤开采后岩体移动对端帮造成破坏性影响，实际操作性强，方法简单，方案设计合理。在本技术领域内具有广泛的实用性。

附图说明

[0026] 图1是本发明的露天端帮压煤充填开采设计方法流程图；

[0027] 图2是本发明的煤柱-充填体协同控制顶板力学模型图。

[0028] 图3是本发明的实例数值模拟模型图。

[0029] 图4是本发明的实例边坡安全系数判定图。

[0030] 图中：Lc为煤体宽度，Lb为充填体宽度，q为上覆岩层作用于顶板的载荷，qc为煤体对顶板的支撑载荷，qb为充填体对顶板的支撑载荷，h为采高，w(x)为顶板下沉挠度，x为与坐标原点O的水平距离？。

具体实施方式

[0031] 下面结合附图和实施例对本发明作更进一步的说明。

[0032] 本发明的方法流程见图1。

[0033] 针对内蒙古鄂尔多斯某露天煤矿进行端帮压煤开采，主采煤层Ⅳ-2埋深85m，压煤7
平均厚度3.4m，压煤顶板为粉砂岩，顶板抗拉强度σt＝1.98×10Pa，预采用逐行充填开采方式，采高3.4m，掘巷宽度4.4m，留设5m煤柱(见表1)。先采集端帮压煤顶板与边坡岩样，测试顶板与边坡岩样的物理力学参数(见表1)。

[0034] 表1充填采煤初始设计值

[0035]

[0036] 建立煤柱-充填体协同控制顶板力学模型，判定压煤顶板稳定性。

[0037] 以顶板的旋转点O为坐标原点，垂直于工作面推进方向为x轴，顶板垂直下沉方向为w轴，建立充填状态下顶板下沉力学模型(见图2)。

[0038]

[0039] 其中，kc为煤体基床系数，为充实率，q为上覆岩层载荷，E为弹性模量，I为顶板截面惯性矩，h为采高，Lc为煤柱宽度，Lb为掘巷宽度，kc为煤体基床系数。

[0040] 采用第一强度理论(最大拉应力理论)判定压煤顶板是否发生破断。

[0041] σmax≤σt (2)

[0042] 根据判别计算式得出压煤顶板最大拉应力σmax＝2.11×107Pa≥σt＝1.98×107Pa，顶煤发生破断，则需-根据充填量适当调整煤柱宽度、掘巷宽度与充实率。

[0043] 选取不同煤柱宽度、掘巷宽度与充实率，判定压煤顶板稳定性(见表2)。

[0044] 表2充填采煤参数选取

[0045]方案煤柱宽度掘巷宽度充实率最大拉应力顶板稳定性
1 5 4.4 70 2.10×107 不稳定
7
2 5 4.4 90 2.03×10 不稳定
3 5 4.4 95 1.94×107 稳定
4 5 4.4 97 1.83×107 稳定
5 5 4.6 60 2.02×107 不稳定
7
6 5 4.8 60 1.95×10 稳定
7 5 5 60 1.89×107 稳定
8 5 5.2 60 1.84×107 稳定
9 5.2 4.4 60 2.03×107 不稳定
7
10 5.4 4.4 60 1.95×10 稳定
11 5.6 4.4 60 1.87×107 稳定
12 5.8 4.4 60 1.80×107 稳定

[0046] 根据表2可知方案3、4、6、7、8、10、11、12可行。

[0047] 建立露天端帮压煤充填开采数值模型(见图3)。

[0048] 代入方案3、4、6、7、8、10、11、12的煤柱宽度、掘巷宽度与充实率的设计值，利用有限元折减法计算充填开采的边坡安全系数Fs(见图4)。

[0049] 根据图4可知方案4、7、8、11、12可行。由于该露天煤矿实际充填体储存量丰富，故选取方案4为煤柱宽度、掘巷宽度与充实率最终设计值，即掘巷宽度4.4m，留设5m煤柱，充实率为97％。

[0050] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，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润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

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