村莊下短壁開采關鍵層與煤柱變形特征研究

徐天發

(伊泰集團有限公司工程管理部，內蒙古 鄂爾多斯 017000)

覆巖關鍵層控制其上覆直至地表所有巖層的運動，為了避免地表出現過大下沉或波浪下沉，應設計合理的采寬與留寬，以保證上覆巖層中的關鍵層在留設煤柱支撐下不發生破斷而保持穩定，從而起到支撐其上覆巖層直至地表的巖層、控制地表的沉陷、保護地面設施的作用［1，2］。

某礦村莊下壓煤總量達6 313．4萬t，占礦井開采儲量的1/4以上，隨著開采年限的增加與開采強度的加大，優勢地質儲量越來越少，企業迫切需要研究有效的開采方法釋放村莊下壓煤。短壁開采技術是開采村莊下壓煤的一種有效途徑，研究覆巖關鍵層與煤柱隨開采寬度變化的變形規律是短壁開采設計的基礎，對確定村莊下采煤的合理采寬與留寬具有重要意義［3－5］。

1 工程概況

某礦主采6#煤層，埋深350 m。煤層厚度穩定，平均厚度6．52 m，傾角平均為4°，煤體松散破碎。短壁開采試驗區域內有一向斜及H=10．0 m、∠70°的正斷層。試驗區域的巷道布置如圖1所示。

2 數值模型建立

根據短壁開采的采場布置，采用大型有限元工程計算軟件ANSYS軟件，采用如圖2所示的平面計算模型。其邊界條件為：模型兩側為滑動鉸支約束，下表面固支約束，上表面自由并承受與覆巖厚度相應的垂直應力，即q=γH，γ為上覆巖層平均容重，H為采場至地表深度。考慮到減少邊界效應，取5個采硐進行數值模擬。計算時巖層參數選取見表1。

表1 數值計算的力學特性參數

在計算中采用plane182單元，在重點分析部位如煤柱和關鍵層處設置較密的網格劃分，其它區域的網格則稀疏些，模型共有8到10萬個單元，具體網格剖分如圖3所示。

圖3 網格剖分

3 模擬方案設計

為分析彈性條件下煤柱及關鍵層的變形與煤柱寬度變化之間的關系，采用以下方案進行模擬分析：

1) 采寬L為24 m保持不變，分別取a=15 m，20 m，25 m 3種計算模型。

2) 采寬L為36 m保持不變，分別取a=20 m，25 m，30 m，35 m，40 m 5種計算模型。

3) 采寬L為48 m保持不變，分別取a=25 m，30 m，35 m，40 m，45 m，50 m 6 種計算模型;

4) 采寬L為60 m保持不變，分別取a=35 m，40 m，45 m，50 m，55 m，60 m 6 種計算模型;

5) 采寬L為72 m保持不變，分別取a=50 m，55 m，60 m，65 m，70 m 5 種計算模型。

4 模擬結果分析

固定采寬L分別為24 m、36 m、48 m、60 m和72 m時，改變煤柱寬度a進行計算，得到關鍵層與煤柱變形的曲線見圖4～5。圖中橫坐標0點為采空區上方關鍵層水平方向中心點，x值為關鍵層某點與該中心點的距離，縱坐標為關鍵層下邊界各點的下沉量，坐標系見圖2。

如圖4，在開采寬度較小時，關鍵層的下沉量取決于煤柱壓縮量，關鍵層呈現整體下沉現象。

當L=24 m不變，煤柱寬度a=15 m時，采出率為61．54%，變形量達1 m以上，采出率分別為54．55%和48．98%時，變形量分別為達0．73 m和0．54 m。因此，當開采寬度L為24 m時，煤柱寬度應在20 m以上，如圖4(a)。

圖4 采寬較小時不同煤柱寬度頂板下沉量

當L=36 m不變，煤柱寬度a=20 m，25m時，采出率分別為64．29%、59．02%，變形量達1 m或以上;煤柱寬度a=30 m，35 m，40 m時，采出率分別為54．55%、50．71%、47．37%，變形量在 1 m 以下。因此當開采寬度 L為36 m時，煤柱寬度應在30 m以上。

當L=48 m不變，在煤柱寬度小于40 m時，采空區的變形明顯超過煤柱的壓縮量，關鍵層變形量在1 m以下。因此，當開采寬度L為48 m時，煤柱寬度應在40 m或以上。

如圖5所示，當開采寬度較大時(大于48 m)，關鍵層呈現彎曲下沉現象，關鍵層的下沉量主要取決于采空區面積，采空區面積越大，關鍵層下沉量越大;在相同采寬條件下，保護煤柱寬度越大，頂板下沉量越小，且采寬越大，影響越不明顯。當開采寬度大于48 m時，即使保持較大的煤柱寬度，采空區關鍵層變形量依然很大，不能滿足巖層控制的要求。

5 結論

1)在開采寬度相同時，保護煤柱尺寸越大，關鍵層下沉量與煤柱壓縮量越小。

2)在開采寬度較小時，關鍵層的下沉量取決于煤柱的壓縮量，關鍵層呈現整體下沉現象，基于關鍵層控制要求，煤柱寬度與開采寬度之比應大于5/6。

3)當開采寬度較大時，關鍵層的下沉量取決于采空區的面積，關鍵層呈現彎曲下沉現象，即使保留較大尺寸的煤柱，仍無法控制關鍵層下沉量。

圖5 采寬較大時不同煤柱寬度頂板下沉量

［1］ 徐金海，劉克功，盧愛紅．短壁開采覆巖關鍵層黏彈性分析與應用［J］．巖石力學與工程學報，2006，25(6)：1147－1151．

［2］ 趙洪亮，徐金海．短壁開采的關鍵層變形與地表沉降耦合作用的數值分析［J］．能源技術與管理，2008(1)：18－20．

［3］ 劉克功，王家臣，徐金海．短壁機械化開采方法與煤柱穩定性研究［J］．中國礦業大學學報，2005，34(1)：24－29．

［4］ 李洪武，徐金海．村莊下高效短壁機械化開采實踐研究［J］．采礦與安全工程學報，2006，23(2)：177－181．

［5］ 何興華，王連國，梁興旺，等．短壁開采合理煤柱寬度的確定［J］．中國礦`業，2007，16(2)：51－53．