T∕CNCA 107-2024 露天矿端帮煤开采围岩稳定性验算方法

ICS73.020CCSD10/19T/CNCA107—2024露天矿端帮煤开采围岩稳定性验算方法Checkingcalculationmethodofsurroundingrockstabilityinhighwallmining2024‑12‑31发布2025‑04‑30实施中国煤炭工业协会发布ⅠT/CNCA107—2024前言 Ⅲ1范围 12规范性引用文件 13术语和定义 14一般要求 25煤柱稳定性验算 26采硐顶板跨度稳定性验算 5参考文献 8ⅢT/CNCA107—2024本文件按照GB/T1.1—2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定起草。请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。本文件由中国煤炭工业协会提出。本文件由中国煤炭工业协会科技发展部归口。本文件起草单位：中煤科工能源科技发展有限公司、中煤平朔集团有限公司、中煤科工（内蒙古）采矿工程技术有限公司、中煤科工集团新疆研究院有限公司、中国煤炭科工集团太原研究院有限公司、新疆大学、中国矿业大学（北京）、内蒙古煤矿设计研究院有限责任公司、中煤科工集团北京华宇工程有限公司、国能准能集团有限责任公司、国家电力投资集团有限公司。1T/CNCA107—2024露天矿端帮煤开采围岩稳定性验算方法本文件规定了端帮煤开采围岩稳定性验算的一般要求、煤柱稳定性验算方法、采硐顶板跨度稳定性验算方法。本文件适用于露天煤矿近水平、缓倾斜单层端帮煤开采围岩稳定性验算工作。2规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。GB50021岩土工程勘察规范GB/T50123土工试验方法标准GB/T50266工程岩体试验方法标准GB50778露天煤矿岩土工程勘察规范3术语和定义下列术语和定义适用于本文件。3.1采硐miningentry露天矿端帮煤开采过程中，采掘设备采出煤炭后所形成的采空区域。3.2硐间煤柱webpillar为维持两侧采硐顶板稳定，采硐之间保留的暂时或永久不予开采的对采硐顶板及上覆岩层起到支撑作用的煤体。3.3隔离煤柱barrierpillar为防止个别硐间煤柱破坏失稳引发连锁破坏，每隔若干相邻采硐及硐间煤柱而保留的暂时或永久不予开采的煤体。3.4块区panel相邻隔离煤柱中线之间的端帮煤开采区域。3.5非交叉承载状态loadnonsuperpositionstate相邻两个隔离煤柱分别沿内侧边缘向中间做与竖直方向夹角为支承压力角的延长线，两延长线交点位于上覆岩层外的状态。3.6交叉承载状态loadsuperpositionstate相邻两个隔离煤柱分别沿内侧边缘向中间做与竖直方向夹角为支承压力角的延长线，两延长线交点2T/CNCA107—2024位于上覆岩层内的状态。4一般要求4.1端帮煤开采围岩稳定性验算应在分析已有地质资料的基础上进行，对资料不详实区域应补充工程地质测绘、勘察。具体应符合GB50021、GB50778的相关规定。岩石物理力学参数确定应在已有资料的基础上进行选取，对资料不详实的区域应补充岩石物理力学试验，宜采用现场原位试验、室内试验、反演分析和工程类比等方法，结合已有项目成果对比获得。具体应符合GB/T50123、GB/T50266的相关规定。4.2同一区域采用多种开采参数时，应针对每种参数分别进行围岩稳定性验算。4.3端帮煤开采围岩稳定性验算应包括煤柱稳定性验算、采硐顶板跨度稳定性验算两部分内容。4.4端帮煤开采围岩稳定性验算流程如图1所示，在采用理论计算、工程类比等方法并结合开采设备性能确定端帮煤开采初步参数的基础上，分别进行煤柱稳定性验算和采硐顶板跨度稳定性验算，两者未同时通过验算时，对端帮煤开采初步参数进行调整之后再次进行验算，直至两者同时通过验算，得到端帮煤开采最终参数。开始端帮煤开采初步参数煤柱稳定性验算调煤柱稳定性验算调整同时通过否是端帮煤开采最终参数图1端帮煤开采围岩稳定性验算流程4.5本文件确定的围岩稳定性验算方法未考虑运输载荷、地震、爆破震动、降水或地下水影响，在上述因素影响较大或区域内含有含有褶曲、断层、陷落柱等地质构造时，除采用本文件确定的围岩稳定性验算方法之外，应选择合适的数值计算方法进行对比分析和验证。5煤柱稳定性验算5.1通则煤柱稳定性验算应根据端帮煤开采参数建立交叉承载状态或非交叉承载状态模型；煤柱稳定安全系数是表征煤柱稳定程度的指标，为煤柱承载能力与煤柱承受的荷载之比，应分别计算硐间煤柱稳定安全系数Fw、隔离煤柱稳定安全系数Fb和煤柱整体稳定安全系数Fa。3T/CNCA107—20245.2煤柱稳定性验算模型的建立5.2.1基于从属面积法，根据初步确定的端帮煤开采参数和上覆岩层支承压力角β建立交叉承载状态或非交叉承载状态煤柱承载模型，如图2和图3所示。HHc521WbWcWw43标引序号和符号说明：1——采硐；Ww——硐间煤柱宽度，单位为米（m2——硐间煤柱；Wb——隔离煤柱宽度，单位为米（m3——隔离煤柱；Wc——采硐宽度，单位为米（m4——块区；Hc——煤层开采高度，单位为米（m5——支承压力角延长线交点；H——开采区域煤柱的最大埋深，单位为米（m）。β——支承压力角，单位为度(°);图2非交叉承载状态 AHHc5WWbWcWw4标引序号和符号说明：1——硐；Ww——硐间煤柱宽度，单位为米（m2——硐间煤柱；Wb——隔离煤柱宽度，单位为米（m3——隔离煤柱；Wc——采硐宽度，单位为米（m4——块区；Hc——煤层开采高度，单位为米（m5——支承压力角延长线交点；H——开采区域煤柱的最大埋深，单位为米（m）。β——支承压力角，单位为度(°);图3交叉承载状态4T/CNCA107—20245.2.2硐间煤柱除承受其顶部上覆岩层重量外，还承受两侧各一半采硐宽度的上覆岩层重量。5.2.3非交叉承载状态下，隔离煤柱在两侧硐间煤柱失稳的情况下也应保持稳定，其承受的荷载为隔离煤柱边缘以支承压力角β向两侧的延长线与地面所围成区域的上覆岩层重量。5.2.4交叉承载状态下，隔离煤柱在两侧硐间煤柱失稳的情况下也应保持稳定，其承受的荷载为隔离煤柱边缘以支承压力角β向两侧的延长线和块区中心线、地面所围成区域的上覆岩层重量。5.3计算方法5.3.1两种状态下，硐间煤柱稳定安全系数Fw均按式（1）进行计算：5.3.2隔离煤柱稳定安全系数Fb按式（2）进行计算：其中：NWc+(NNWc+(N-1)Ww2NWc+(N-1)Ww2Htanβ>表示交叉承载状态。5.3.3煤柱整体稳定安全系数Fa为块区内所有煤柱承载能力之和与所有煤柱承受的荷载之和的比，按Fa=…………（3）1000(N-1)S1Ww(0.64Hc+0.54Ww)+1000S1Wb(0.64HFa=…………（3）GHHc[Wb+NWc+(N-1)Ww]式中：Fw——硐间煤柱稳定安全系数；Fb——隔离煤柱稳定安全系数；Fa——煤柱整体稳定安全系数；1——煤体强度，单位为兆帕（MPaWw——硐间煤柱宽度，单位为米（mWb——隔离煤柱宽度，单位为米（mWc——采硐宽度，单位为米（mN——隔离煤柱间采硐数量；Hc——煤层开采高度，单位为米（mH——开采区域煤柱的最大埋深，单位为米（mG——上覆岩层平均容重，单位为千牛每立方米（kN/m3β——支承压力角，单位为度(°)。5.3.4煤柱稳定性判断准则：硐间煤柱稳定安全系数Fw、隔离煤柱稳定安全系数Fb和煤柱整体稳定安全系数Fa的限值见表1，只有三者均不小于对应安全系数限值时，端帮煤开采参数才能通过煤柱稳定性验算，否则应对端帮煤开采参数进行调整，之后再次进行煤柱稳定性验算。5T/CNCA107—2024表1煤柱稳定安全系数限值项目安全系数限值适用条件煤柱整体稳定安全系数Fa2.0所有条件硐间煤柱稳定安全系数Fw1.6块区宽度（含隔离煤柱）超过60m1.3块区宽度（含隔离煤柱）小于60m隔离煤柱稳定安全系数Fb2.0隔离煤柱宽高比rb<41.5隔离煤柱宽高比rb≥46采硐顶板跨度稳定性验算6.1通则采硐顶板跨度稳定性验算应在分析采硐顶板失稳机理的基础上进行，采硐顶板失稳机理可分为层状顶板稳定性模型、顶煤剪切破坏模型和其他失稳机理模型三种，其中层状顶板稳定性模型、顶煤剪切破坏模型最为常见，采用力学分析的解析方法进行验算，其他失稳机理模型宜采用数值计算方法进行验算。6.2采硐顶板跨度稳定性模型的建立6.2.1层状顶板稳定性模型采硐顶板为完整性较好的岩层时，将顶板分层视为一系列相互分离的薄层岩梁，这些岩梁可以逐渐从顶板上脱落，并发生弹性突跳，通常简化为图4所示的层状顶板稳定性模型。通过该模型可计算得到采硐顶板最大稳定跨度。ppp21标引序号和符号说明：1——采硐；2——煤柱；tr——顶板分层厚度，单位为米（mp——顶板分层上的分布垂直荷载，单位为兆帕（MPa）。图4层状顶板稳定性模型6T/CNCA107—20246.2.2顶煤剪切破坏模型采硐留有顶煤或顶板岩层较为破碎时，常发生沿垂直割理的剪切破坏，整个顶煤或顶板分层落入采硐，通常简化为图5所示的顶煤剪切破坏模型。采硐顶板稳定安全系数是表征基于顶煤剪切破坏模型的采硐顶板稳定程度的指标，由顶煤与煤柱间剪切面的抗剪力与剪切力之比确定。y224pb33c1Wp/2Wc/2标引序号和符号说明：1——采硐；2——煤柱；3——顶煤；4——顶板岩层；n——顶煤与煤柱间剪切面上的正应力，单位为兆帕（MPaτ——顶煤与煤柱间剪切面上的剪应力，单位为兆帕（MPaWc——采硐宽度，单位为米（mWp——煤柱宽度，单位为米（mtc——顶煤厚度，单位为米（mb——顶煤与顶板岩层的接触长度，单位为米（my——上覆岩层压力，单位为兆帕（MPa）。图5顶煤剪切破坏模型6.2.3其他失稳机理模型数值计算方法的选择及数值模型的建立应在分析顶板失稳机理，并充分考虑影响顶板稳定的主导因素的基础上进行。6.3计算方法6.3.1基于层状顶板稳定性模型的采硐顶板最大稳定跨度按式（4）进行计算：r…………（46.3.1基于层状顶板稳定性模型的采硐顶板最大稳定跨度按式（4）进行计算：7T/CNCA107—2024式中：S——最大稳定跨度，单位为米（mtr——顶板分层厚度，单位为米（mE——顶板分层弹性模量，单位为兆帕（MPap——顶板分层上的分布垂直荷载，单位为兆帕（MPa在大多数情况下为该分层的自重。6.3.2基于顶煤剪切破坏模型的采硐顶板稳定安全系数Fr按式（5）进行计算：式中：φ——顶煤垂直割理的内摩擦角，单位为度(°);c——顶煤垂直割理的内聚力，单位为兆帕（MPax——煤层内的水平地应力，单位为兆帕（MPay——上覆岩层压力，单位为兆帕（MPaφi——煤层/岩层分界面内摩擦角，单位为度(°);Wc——采硐宽度，单位为米（mWp——煤柱宽度，单位为米（mtc——顶煤厚度，单位为米（mb——顶煤与顶板岩层的接触长度，单位为米（m其值由求解式（6）得到：式中：Er——顶板岩层的弹性模量，单位为兆帕（MPaEc——煤层的弹性模量，单位为兆帕（MPar——顶板岩层的泊松比；c——煤