村莊下短壁開采關(guān)鍵層與煤柱變形特征研究

徐天發(fā)

(伊泰集團(tuán)有限公司工程管理部，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000)

覆巖關(guān)鍵層控制其上覆直至地表所有巖層的運(yùn)動(dòng)，為了避免地表出現(xiàn)過(guò)大下沉或波浪下沉，應(yīng)設(shè)計(jì)合理的采寬與留寬，以保證上覆巖層中的關(guān)鍵層在留設(shè)煤柱支撐下不發(fā)生破斷而保持穩(wěn)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(hù)地面設(shè)施的作用［1，2］。

某礦村莊下壓煤總量達(dá)6 313．4萬(wàn)t，占礦井開采儲(chǔ)量的1/4以上，隨著開采年限的增加與開采強(qiáng)度的加大，優(yōu)勢(shì)地質(zhì)儲(chǔ)量越來(lái)越少，企業(yè)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(shù)是開采村莊下壓煤的一種有效途徑，研究覆巖關(guān)鍵層與煤柱隨開采寬度變化的變形規(guī)律是短壁開采設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，對(duì)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(wěn)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(yàn)區(qū)域內(nèi)有一向斜及H=10．0 m、∠70°的正斷層。試驗(yàn)區(qū)域的巷道布置如圖1所示。

2 數(shù)值模型建立

根據(jù)短壁開采的采場(chǎng)布置，采用大型有限元工程計(jì)算軟件ANSYS軟件，采用如圖2所示的平面計(jì)算模型。其邊界條件為：模型兩側(cè)為滑動(dòng)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(yīng)的垂直應(yīng)力，即q=γH，γ為上覆巖層平均容重，H為采場(chǎng)至地表深度。考慮到減少邊界效應(yīng)，取5個(gè)采硐進(jìn)行數(shù)值模擬。計(jì)算時(shí)巖層參數(shù)選取見表1。

表1 數(shù)值計(jì)算的力學(xué)特性參數(shù)

在計(jì)算中采用plane182單元，在重點(diǎn)分析部位如煤柱和關(guān)鍵層處設(shè)置較密的網(wǎng)格劃分，其它區(qū)域的網(wǎng)格則稀疏些，模型共有8到10萬(wàn)個(gè)單元，具體網(wǎng)格剖分如圖3所示。

圖3 網(wǎng)格剖分

3 模擬方案設(shè)計(jì)

為分析彈性條件下煤柱及關(guān)鍵層的變形與煤柱寬度變化之間的關(guān)系，采用以下方案進(jìn)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(jì)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(jì)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(jì)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(jì)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(jì)算模型。

4 模擬結(jié)果分析

固定采寬L分別為24 m、36 m、48 m、60 m和72 m時(shí)，改變煤柱寬度a進(jìn)行計(jì)算，得到關(guān)鍵層與煤柱變形的曲線見圖4～5。圖中橫坐標(biāo)0點(diǎn)為采空區(qū)上方關(guān)鍵層水平方向中心點(diǎn)，x值為關(guān)鍵層某點(diǎn)與該中心點(diǎn)的距離，縱坐標(biāo)為關(guān)鍵層下邊界各點(diǎn)的下沉量，坐標(biāo)系見圖2。

如圖4，在開采寬度較小時(shí)，關(guān)鍵層的下沉量取決于煤柱壓縮量，關(guān)鍵層呈現(xiàn)整體下沉現(xiàn)象。

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

圖4 采寬較小時(shí)不同煤柱寬度頂板下沉量

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

當(dāng)L=48 m不變，在煤柱寬度小于40 m時(shí)，采空區(qū)的變形明顯超過(guò)煤柱的壓縮量，關(guān)鍵層變形量在1 m以下。因此，當(dāng)開采寬度L為48 m時(shí)，煤柱寬度應(yīng)在40 m或以上。

如圖5所示，當(dāng)開采寬度較大時(shí)(大于48 m)，關(guān)鍵層呈現(xiàn)彎曲下沉現(xiàn)象，關(guān)鍵層的下沉量主要取決于采空區(qū)面積，采空區(qū)面積越大，關(guān)鍵層下沉量越大;在相同采寬條件下，保護(hù)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(dāng)開采寬度大于48 m時(shí)，即使保持較大的煤柱寬度，采空區(qū)關(guān)鍵層變形量依然很大，不能滿足巖層控制的要求。

5 結(jié)論

1)在開采寬度相同時(shí)，保護(hù)煤柱尺寸越大，關(guān)鍵層下沉量與煤柱壓縮量越小。

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

3)當(dāng)開采寬度較大時(shí)，關(guān)鍵層的下沉量取決于采空區(qū)的面積，關(guān)鍵層呈現(xiàn)彎曲下沉現(xiàn)象，即使保留較大尺寸的煤柱，仍無(wú)法控制關(guān)鍵層下沉量。

圖5 采寬較大時(shí)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(guān)鍵層黏彈性分析與應(yīng)用［J］．巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2006，25(6)：1147－1151．

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

［3］ 劉克功，王家臣，徐金海．短壁機(jī)械化開采方法與煤柱穩(wěn)定性研究［J］．中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，34(1)：24－29．

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

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