綜放工作面頂板精準預裂與村莊保護煤柱留設尺寸研究

董飛

（山西潞安環保能源開發股份有限公司 常村煤礦，山西 長治 046000）

0 引 言

隨著煤炭開采強度的持續增長，部分煤礦開始進入深地開采階段，“三下”煤層開采逐漸引起人們的重視。為了能夠充分確保地表構筑物不受到破壞，實現煤炭資源的安全高效回采，降低巖層移動，諸多學者展開了廣泛深入的研究。鄧寧[1]對“三下”采煤方法與發展過程進行了細致研究，并闡明了矸石充填、注漿減沉等在內的諸多關鍵技術，對特殊開采方法展開系統介紹。宋高峰[2]等對充填工藝的優劣表現進行對比研究，對充填設備、材料等諸多方面的內容展開系統分析。黃艷利[3]提出利用固體廢物充填采空區的方法，合理控制上覆巖層移動，豐富了充填開采的理論技術內容。楊宗震基于淮南煤礦基本情況，建立具體的數學計算模型，并形成了安全煤柱的科學留設原則。張冬冬借助室內試驗研究，展開充填材料配比研究，并完成工業性試驗，對建筑物可起到有效的保護作用。然而，長時間以來，村莊保護煤柱合理留設與頂板精準預裂的相關研究存在一定空白，借助UDEC 進行模擬研究，對村莊保護煤柱尺寸的優化設計以及地表建筑的保護具有重要意義。

1 概 況

常村煤礦2107 綜放工作面主采的3 號煤層，煤層平均厚度5.92 m，煤層結構簡單，直接頂為泥巖，厚度3.0 m，基本頂為中粒砂巖，厚度6.6 m，直接底為泥巖，厚度1.2 m，老底為細粒砂巖，厚度1.5 m。2107 綜放工作面采用單一走向長壁后退式綜合機械化低位放頂煤開采的采煤方法，設計采高為3.2 m，平均放煤高度2.72 m，機采回收率98%，放煤回收率87%，工作面布置如圖1 所示。有效保護地表建筑物，并且少留煤柱。本節采用離散元軟件UDEC6.0 進行數值模擬計算，分析切頂卸壓后不同保護煤柱寬度對地表移動的影響作用，數值模型如圖2 所示，各巖層物理力學參數見表1。

表1 UDEC 模型中塊體的力學參數Table 1 Mechanical parameters of blocks in UDEC model

圖1 2107 工作面平面布置Fig.1 Layout of No.2107 Face

圖2 UDEC 數值模型Fig.2 Numerical model of UDEC

模擬2107 綜放工作面回采至村莊邊界保護煤柱的位置200 m，超過設計煤柱邊界10、20、30、40、50 m，監測地表的下沉規律和影響范圍。進一步模擬分析切頂后，幾種開采方案對應的地表下沉規律，揭示出切頂卸壓對地表村莊保護煤柱的影響關系。

2 切頂卸壓煤柱合理寬度數值模擬

2.1 建立數值模型

常村煤礦停采線保護煤柱常規的留設寬度是200～700 m，浪費大量的煤炭資源。采用合適的切頂卸壓措施能夠改變巖層的移動路徑和巖層結構，

2.2 末采停采線位置對地表變形影響規律

建立數值模型時，在地表設置測線每隔2 m 記錄1 個測點位移，模擬開挖完成后，提取地表沉陷變形信息，并對提取開挖結果進行分析。在保護煤柱邊界位置未采取切頂措施時，留設不同寬度保護煤柱時的巖層移動云圖和地表下沉曲線，如圖3 所示。

圖3 未切頂處理時不同寬度保護煤柱地表下沉量曲線Fig.3 Surface subsidence curve of different width protective coal pillars without roof cutting treatment

由圖3 可知，采動影響下的工作面地表呈現連續的下沉盆地，而且隨著開采工作面的不斷推進，煤層頂板覆巖逐漸垮落壓實，地表下沉曲線影響范圍不斷擴大，地表下沉值不斷增加，最大下沉點值點也隨著下沉盆地的前移而前移。對于不同寬度的村莊保護煤柱，采空區巖層移動引起的地表下沉量相差不大，采高為6 m 的條件下，村莊保護煤柱寬度200、190、180、170、160、150 m，對應的最大地表下沉量分別為4.39、4.39、3.98、4.02、4.18和4.62 m。

以常村礦現有的200 m 寬村莊保護煤柱為例，200 m 煤柱邊界對應的地表下沉量為1.09 m，隨著遠離邊界地表下沉量逐漸減小，到120 m 位置時，地表下沉量減小為0.04 m（40 mm），因此，確定采動對地表的超前影響范圍大約為80 m。

2.3 末采停采線位置頂板壓裂對地表變形影響規律

為研究在村莊保護煤柱邊界進行切頂是否可以改變巖層的移動角，進而改變地表的移動范圍，在不同村莊保護煤柱邊界進行切頂處理。在UDEC 數值模型中，人為的制造節理面，來模擬人工干預的切頂裂縫。計算得到不同村莊保護煤柱寬度采取切頂措施后的巖層移動特征和地表下沉曲線，如圖4所示。

圖4 切頂后不同寬度保護煤柱地表下沉量曲線Fig.4 Surface subsidence curve of different width protective coal pillars after roof cutting

由圖4 可知，切頂后的頂板巖層沿切頂線垮落，地表仍然是呈現連續的下沉盆地，隨著工作面的推進，上覆巖層垮落更加充分。計算得到，采高為6 m 條件下，在邊界煤柱位置切頂后，村莊保護煤柱寬度200、190、180、170、160、150 m 對應的最大地表下沉量分別為4.13、4.43、4.67、5.00、5.24、5.61 m。但相比不切頂的地表下沉量，切頂后采空區中部的下沉量有所增大。

以常村礦現有的200 m 寬村莊保護煤柱為例，切頂后200 m 煤柱邊界對應的地表下沉量為0.88 m，隨著遠離邊界地表下沉量逐漸減小，到140 m位置時，地表下沉量減小為0.04 m（40 mm），因此，確定采動對地表的超前影響范圍大約60 m。

2.4 切頂對地表下沉量控制效果分析

根據數值模擬計算的結果，詳細對比分析切頂前后對地表下沉量的影響。圖5 和圖6 給出了200 m 和180 m 寬村莊保護煤柱切頂前后的地表下沉量對比結果。

圖5 200 m 村莊保護煤柱切頂前后對比Fig.5 Comparison of 200 m village protection coal pillar before and after roof cutting

圖6 180 m 村莊保護煤柱切頂對比Fig.6 Comparison of 180 m village protection coal pillar before and after roof cutting

由圖5 可知，200 m 的村莊保護煤柱在邊界位置切頂后，劇烈影響范圍從80 m 減小到60 m，在邊界位置的地表下沉量由1.09 m 減小到0.88 m，在140m 位置的地表下沉量由0.08 m（80 mm），減小到不切頂時120 m 位置的0.04 m（40 mm）。

由圖6 可知，180 m 的村莊保護煤柱在不切頂時，劇烈影響范圍的起始位置在100 m，地表下沉量為0.048 m（48 mm），煤柱邊界180 m 位置的地表下沉量為1.08 m。切頂后劇烈影響范圍同樣減小到60 m，起止范圍為120～180 m，120 m 位置的地表下沉量為0.044 m（44 mm），煤柱邊界180 m位置的地表下沉量為0.093 m。

綜上分析，當村莊保護煤柱寬度降低20 m，即由200 m 減小到180 m 時，采取切頂卸壓措施后，在120 m 的位置地表下沉量為0.044 m，與不切頂時200 m 煤柱寬度在120 m 位置的地表下沉量0.040 m 相近。因此，在村莊保護煤柱邊界位置采取切頂卸壓措施，可以精準的控制巖層移動角度，減小采動對地表的超前影響范圍，減小煤柱寬度20 m，可以有效控制地表村莊的建筑物。

3 結 論

（1） 數值模擬分析表明，常村礦2107 綜放面現有的200 m 煤柱邊界對應的地表下沉量為1.09 m，隨著遠離邊界地表下沉量逐漸減小，到120 m位置時，地表下沉量減小為0.04 m（40 mm），因此，確定采動對地表的超前影響范圍大約80 m。

（2） 在村莊保護煤柱邊界采用切頂卸壓措施后，200 m 的村莊保護煤柱超前劇烈影響范圍從80 m 減小到60 m，在邊界位置的地表下沉量由1.09 m 減小到0.88 m，在140 m 位置的地表下沉量由0.08 m（80 mm） 減小到不切頂時120m 位置的0.04 m（40 mm）。切頂技術控制地表下沉具有明顯的效果。

（3） 當村莊保護煤柱寬度降低20 m，即由200 m 減小到180 m 時，采取切頂卸壓措施后，在120 m 的位置地表下沉量為0.044 m，與不切頂時200 m 煤柱寬度在120 m 位置的地表下沉量0.040 m 相近。

（4） 在村莊保護煤柱邊界位置采取切頂卸壓措施，可以精準控制巖層移動角度，減小采動對地表的超前影響范圍，減小村莊保護煤柱寬度20 m，仍然可以有效的控制地表村莊的建筑物。