端帮开采中的条带支撑煤柱在动静载荷叠加下的失稳机理

For a great deal of residual coal resources in Chinese large-scale open pit mine, this can be mined economically and effectively by highwall miner. However, instability mechanism of strip support pillar under the dynamic loading of a mining haul truck and non-uniformly static loading of end-wall slope is not clear yet, which has greatly restricted the application of highwall mining system. Thus, this project takes the end-wall strip coal pillar under the effects of dynamic and static loadings as the object, by establishing a model of "roof-pillar" system with interaction and a stable model of coal pillar under the non-uniformly static loading, the stress distribution and energy evolution laws were studied. And then, by numerical simulation method, how factors of "roof-pillar" system have affected instability of pillar was studied, and the multi-factors comprehensive criterion of pillar stability can be revealed. Finally, the design method of strip pillar under dynamic and static loading in highwall mining system was given. The research results of this project can provide a theoretical foundation for exploiting the residual coal of end-wall slope by higwall mining safely and effectively, and it will have important significance for scientific mining technologies of surface coal resources.

对于我国大型露天矿开采后残存的大量端帮滞留煤，端帮采煤机系统是对其进行开采的最经济可行的工艺。然而利用此工艺开采滞留煤时，在大型矿用卡车运行的动载与端帮边坡的非均布静载叠加下，保留的条带支撑煤柱的失稳机理尚未明确，已成为制约该工艺应用的突出难题。因此，本项目以动静载荷叠加下端帮边坡的条带煤柱为研究对象，首先通过建立端帮边坡产生的非均布静载作用下的“顶板-煤柱”相互作用系统的力学模型及其煤柱的稳定性模型，深入研究煤柱破坏、失稳过程中应力分布规律及能量演化机理；继而利用数值模拟分析“顶板-煤柱”系统中各相关因素对动静载荷下的煤柱失稳的影响，揭示动静载荷叠加下煤柱稳定性的多因素综合判据；最后结合相似材料物理模型试验的结果，提出动静载荷下端帮采煤机开采下的条带煤柱设计方法。本项目的研究成果可为端帮采煤机安全高效地开采露天滞留煤提供理论基础，对我国露天煤炭资源科学开采具有极其重要的意义。

对于我国大型露天矿开采后残存的大量端帮滞留煤，端帮采煤机系统是对其进行开采的最经济可行的工艺。然而利用此工艺开采滞留煤时，在大型矿用卡车运行的动载与端帮边坡的非均布静载叠加下，保留的条带支撑煤柱的失稳机理尚未明确，已成为制约该工艺应用的突出难题。.基于此，本项目以动静载荷叠加下端帮边坡的条带煤柱为研究对象，运用室内试验、理论分析、现场实测及数值模拟相结合的研究方法，系统研究端帮采煤机系统中条带支撑煤柱在动静载荷作用下的失稳致灾机理。通过研究，取得了以下成果：（1）基于支撑煤柱的承载特点，将煤柱视为“顶板-煤柱”作用系统的组成部分，根据温克尔弹性基础理论，结合有效面积理论及尖点突变理论，得出煤柱承载的力学模型及失稳判据。（2）根据建立的端帮开采系统中支撑煤柱的失稳判据可知，影响失稳判据的关键因素为动静载荷作用下煤柱极限应力、煤柱的屈服区宽度以及载荷作用下所对应的煤柱压缩量。根据极限平衡理论，首先对支撑煤柱的极限应力进行分析计算，进而得出了采硐两侧煤柱的屈服区宽度的估算公式。然后基于温克尔地基梁理论，建立了端帮开采下由支撑煤柱和顶板构成的弹性地基梁模型，得出了煤柱在载荷作用下的压缩量计算公式。（3）通过现场实测，对国内露天煤矿大型矿用卡车的对地比压进行分析，从而得出卡车的动载系数，为动载效应下煤柱的失稳分析提供依据。（4）根据大型矿用卡车运行时的动载与露天端帮边坡的非均布静载叠加作用下的煤柱失稳判据及判据中影响变量的计算方法，以大型露天煤矿端帮滞留煤开采为工程背景，对端帮开采滞留煤的支撑煤柱进行理论设计及数值验证。本项目的研究成果将为实现应用端帮开采工艺对露天矿滞留煤进行安全、高效地开采提供依据和基础，对于我国煤炭的绿色开采具有重要的现实意义。