特厚煤層充填開采條件下分層開采的高度和控頂距研究

任軍科

（山西鄉寧焦煤集團 東溝煤業有限公司，山西 鄉寧 042100）

特厚煤層充填開采條件下分層開采的高度和控頂距研究

任軍科

（山西鄉寧焦煤集團 東溝煤業有限公司，山西 鄉寧 042100）

針對國內某大型煤礦開采煤層厚度大、埋深深的特點，分析了不同采高、不同開采控頂距條件下工作面采場圍巖的穩定性，得出了采高、控頂距對采場圍巖的影響關系。

特厚煤層；充填開采；采高；控頂距

1 概述

為了保證某大型礦井特厚煤層分層開采時工作面的圍巖穩定，并解決因開采帶來的地表沉陷問題，針對該礦充填開采的特性，分析了不同分層開采高度、不同控頂距條件下工作面周圍巖體的應力特征和位移特征，研究了分層高度和控頂距對采場圍巖穩定性的影響。

2 方案確定及模型建立

該礦井開采煤層為四分層，為了分析開采高度和控頂距對工作面圍巖穩定性的影響程度，分析開采高度為2m、4m、6m，控頂距為12m、4m時采場圍巖的穩定性。其各分層煤巖的物理力學特性參數如表1所示。模型上邊界為應力邊界，受上覆巖層自重應力作用，取為q=13.6MPa；左右邊界為水平位移固定約束；下邊界為鉛垂位移固定約束，重力加速度g=10m/s2。見圖1。

編制有限元程序時，基于的理論依據如下：

平衡微分方程：σij，i+Fj=0.

幾何方程：εij=0.5（μi，j+μj，）i.

應變協調方程：εij，kl+εkl，ij-εik，jl-εjl，ik=0.

物理方程：σij=λεkkδij+2Gεij.

Drucker模型：（fI1，J）2=αI1+=K.

3 結果分析

圖1 計算模型圖

表1 煤巖物理力學參數表

建立開采高度分別為2m、4m、6 m，控頂距分別為12m、4m時的6種數值計算模型，分析其各自的應力分布和位移分布數據后，提取數據，繪制出了圖2的采場圍巖破壞區域分布圖。從圖2知，工作面采過后，其后方采空區域的頂板和底板圍巖、工作面控頂距區域頂板和底板都發生了破壞，工作面煤壁前方出現了較大的卸壓區域及破壞區域。

整個圍巖破壞區域分布中，充填體并未顯示破壞，是因為計算中采用的充填體材料是線彈性模型；在圖中畫的區域形成破壞區，由于充填體用彈性材料模型計算，所以沒有屈服。如果開采高度過高，會在左上角也形成破壞區，這是由于模型邊界過小，填充體和巖體材料力學參數相差太多，根本不是一個級別造成的。整個破壞區域大致分為六個：采空區的頂板巖層及底板巖層、工作面控頂區域的頂板巖層及底板巖層、工作面前方煤壁、工作面前方老頂巖層。其中五個是連通的（采空區的頂板巖層及底板巖層、工作面控頂區域的頂板巖層及底板巖層、工作面前方煤壁）。

圖2 工作面開采后圍巖破壞區域分布圖

表2是不同方案條件下采場圍巖最大應力及頂底板位移的數據。從表2看出，最大頂板下沉量是采高6 m、控頂距12 m時，下沉量達0.247 m，此時底板底鼓量為0.041m。從表2可以基本得出這樣結論：該礦背景條件下，頂板下沉量受采高影響為主，底板底鼓量受控頂距影響較大。

從此結果看出，開采高度和控頂距對采礦安全的影響非常明顯。隨著開采高度和控頂距的增大，工作面周圍圍巖的破壞區越來越大，鉛垂應力峰值向工作面深部移動。在工作面前方，形成了破壞區，這是塑性求解和彈性求解的不同；采用彈性算法在工作面處的應力要大于再往深部的；但是塑性求解工作面由于進入破壞區、應力降低，再往里面應力會漸升高、再降低，最后進入原巖應力區。因此，尋找合理的采高和控頂距對于采礦安全非常重要。

表2 模型中各自最大應力和頂底板位移表

4 結論

本文針對國內某大型煤礦開采煤層厚度大、埋深深的特點，分析了不同采高、不同開采控頂距條件下工作面采場圍巖的穩定性，得出了采高、控頂距對采場圍巖的影響大小及影響效果。研究表明：（1）在六種不同的開采方案中，最大頂板下沉量是采高6m、控頂距12 m時，下沉量達0.247 m，此時底板底鼓量為0.041m。（2）該礦背景條件下，頂板下沉量受采高影響為主，底板底鼓量受控頂距影響較大。（3）隨著開采高度和控頂距的增大，工作面周圍圍巖的破壞區越來越大，鉛垂應力峰值向工作面深部移動，在工作面前方，圍巖形成了大范圍的破壞區。

[1]錢銘高，石平五.礦山壓力與巖層控制[M].徐州：中國礦業大學出版社，2003.

[2]蔡美峰，何滿潮，劉東燕.巖石力學與工程[M].北京：科學出版社，2002.

Height and Roof-control Distance of Layer Mining in the Condition of Extra-thick Coal Seam Filling Mining

REN Jun-ke
(Donggou Coal Co.,Shanxi Xiangning Coking Coal Group,Xiangning Shanxi 042100)

In view of the thick,deep-buried seams of one big mine in China,the study examines the surrounding rock stability in different mining heights and roof-control distances and draws their relationship.

extra-thick coal seam;filling mining;mining height;roof-control distance

TD322

A

1672-5050（2012）04-0049-02

2011-09-10

任軍科（1977—），男，山西鄉寧人，大專，助理工程師，從事煤礦開采等方面的研究工作。

劉新光