徐天發(fā)

(伊泰集團有限公司工程管理部，內(nèi)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(xiàn)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(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(yōu)勢地質儲量越來越少，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(guī)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(wěn)定，平均厚度6．52 m，傾角平均為4°，煤體松散破碎。短壁開采試驗區(qū)域內(nèi)有一向斜及H=10．0 m、∠70°的正斷層。試驗區(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?？紤]到減少邊界效應，取5個采硐進行數(shù)值模擬。計算時巖層參數(shù)選取見表1。

表1 數(shù)值計算的力學特性參數(shù)

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(wǎng)格劃分，其它區(qū)域的網(wǎng)格則稀疏些，模型共有8到10萬個單元，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(qū)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(xiàn)整體下沉現(xiàn)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(qū)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(xiàn)彎曲下沉現(xiàn)象，關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(qū)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(xiàn)整體下沉現(xiàn)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(qū)的面積，關鍵層呈現(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(shù)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(wěn)定性研究［J］．中國礦業(yè)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(yè)，2007，16(2)：51－53．