董飛

（山西潞安環(huán)保能源開發(fā)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(qiáng)度的持續(xù)增長，部分煤礦開始進(jìn)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(gòu)筑物不受到破壞，實(shí)現(xiàn)煤炭資源的安全高效回采，降低巖層移動(dòng)，諸多學(xué)者展開了廣泛深入的研究。鄧寧[1]對(duì)“三下”采煤方法與發(fā)展過程進(jìn)行了細(xì)致研究，并闡明了矸石充填、注漿減沉等在內(nèi)的諸多關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)特殊開采方法展開系統(tǒng)介紹。宋高峰[2]等對(duì)充填工藝的優(yōu)劣表現(xiàn)進(jìn)行對(duì)比研究，對(duì)充填設(shè)備、材料等諸多方面的內(nèi)容展開系統(tǒng)分析。黃艷利[3]提出利用固體廢物充填采空區(qū)的方法，合理控制上覆巖層移動(dòng)，豐富了充填開采的理論技術(shù)內(nèi)容。楊宗震基于淮南煤礦基本情況，建立具體的數(shù)學(xué)計(jì)算模型，并形成了安全煤柱的科學(xué)留設(shè)原則。張冬冬借助室內(nèi)試驗(yàn)研究，展開充填材料配比研究，并完成工業(yè)性試驗(yàn)，對(duì)建筑物可起到有效的保護(hù)作用。然而，長時(shí)間以來，村莊保護(hù)煤柱合理留設(shè)與頂板精準(zhǔn)預(yù)裂的相關(guān)研究存在一定空白，借助UDEC 進(jìn)行模擬研究，對(duì)村莊保護(hù)煤柱尺寸的優(yōu)化設(shè)計(jì)以及地表建筑的保護(hù)具有重要意義。

1 概 況

常村煤礦2107 綜放工作面主采的3 號(hào)煤層，煤層平均厚度5.92 m，煤層結(jié)構(gòu)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(xì)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(jī)械化低位放頂煤開采的采煤方法，設(shè)計(jì)采高為3.2 m，平均放煤高度2.72 m，機(jī)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(hù)地表建筑物，并且少留煤柱。本節(jié)采用離散元軟件UDEC6.0 進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，分析切頂卸壓后不同保護(hù)煤柱寬度對(duì)地表移動(dòng)的影響作用，數(shù)值模型如圖2 所示，各巖層物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 UDEC 模型中塊體的力學(xué)參數(shù)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(shù)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(hù)煤柱的位置200 m，超過設(shè)計(jì)煤柱邊界10、20、30、40、50 m，監(jiān)測地表的下沉規(guī)律和影響范圍。進(jìn)一步模擬分析切頂后，幾種開采方案對(duì)應(yīng)的地表下沉規(guī)律，揭示出切頂卸壓對(duì)地表村莊保護(hù)煤柱的影響關(guān)系。

2 切頂卸壓煤柱合理寬度數(shù)值模擬

2.1 建立數(shù)值模型

常村煤礦停采線保護(hù)煤柱常規(guī)的留設(shè)寬度是200～700 m，浪費(fèi)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(dòng)路徑和巖層結(jié)構(gòu)，

2.2 末采停采線位置對(duì)地表變形影響規(guī)律

建立數(shù)值模型時(shí)，在地表設(shè)置測線每隔2 m 記錄1 個(gè)測點(diǎn)位移，模擬開挖完成后，提取地表沉陷變形信息，并對(duì)提取開挖結(jié)果進(jìn)行分析。在保護(hù)煤柱邊界位置未采取切頂措施時(shí)，留設(shè)不同寬度保護(hù)煤柱時(shí)的巖層移動(dòng)云圖和地表下沉曲線，如圖3 所示。

圖3 未切頂處理時(shí)不同寬度保護(hù)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(dòng)影響下的工作面地表呈現(xiàn)連續(xù)的下沉盆地，而且隨著開采工作面的不斷推進(jìn)，煤層頂板覆巖逐漸垮落壓實(shí)，地表下沉曲線影響范圍不斷擴(kuò)大，地表下沉值不斷增加，最大下沉點(diǎn)值點(diǎn)也隨著下沉盆地的前移而前移。對(duì)于不同寬度的村莊保護(hù)煤柱，采空區(qū)巖層移動(dòng)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(hù)煤柱寬度200、190、180、170、160、150 m，對(duì)應(yīng)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(xiàn)有的200 m 寬村莊保護(hù)煤柱為例，200 m 煤柱邊界對(duì)應(yīng)的地表下沉量為1.09 m，隨著遠(yuǎn)離邊界地表下沉量逐漸減小，到120 m 位置時(shí)，地表下沉量減小為0.04 m（40 mm），因此，確定采動(dòng)對(duì)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(duì)地表變形影響規(guī)律

為研究在村莊保護(hù)煤柱邊界進(jìn)行切頂是否可以改變巖層的移動(dòng)角，進(jìn)而改變地表的移動(dòng)范圍，在不同村莊保護(hù)煤柱邊界進(jìn)行切頂處理。在UDEC 數(shù)值模型中，人為的制造節(jié)理面，來模擬人工干預(yù)的切頂裂縫。計(jì)算得到不同村莊保護(hù)煤柱寬度采取切頂措施后的巖層移動(dòng)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(hù)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(xiàn)連續(xù)的下沉盆地，隨著工作面的推進(jìn)，上覆巖層垮落更加充分。計(jì)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(hù)煤柱寬度200、190、180、170、160、150 m 對(duì)應(yīng)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?shù)牡乇硐鲁亮?，切頂后采空區(qū)中部的下沉量有所增大。

以常村礦現(xiàn)有的200 m 寬村莊保護(hù)煤柱為例，切頂后200 m 煤柱邊界對(duì)應(yīng)的地表下沉量為0.88 m，隨著遠(yuǎn)離邊界地表下沉量逐漸減小，到140 m位置時(shí)，地表下沉量減小為0.04 m（40 mm），因此，確定采動(dòng)對(duì)地表的超前影響范圍大約60 m。

2.4 切頂對(duì)地表下沉量控制效果分析

根據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算的結(jié)果，詳細(xì)對(duì)比分析切頂前后對(duì)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(hù)煤柱切頂前后的地表下沉量對(duì)比結(jié)果。

圖5 200 m 村莊保護(hù)煤柱切頂前后對(duì)比Fig.5 Comparison of 200 m village protection coal pillar before and after roof cutting

圖6 180 m 村莊保護(hù)煤柱切頂對(duì)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(hù)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(shí)120 m 位置的0.04 m（40 mm）。

由圖6 可知，180 m 的村莊保護(hù)煤柱在不切頂時(shí)，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(dāng)村莊保護(hù)煤柱寬度降低20 m，即由200 m 減小到180 m 時(shí)，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(shí)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(hù)煤柱邊界位置采取切頂卸壓措施，可以精準(zhǔn)的控制巖層移動(dòng)角度，減小采動(dòng)對(duì)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(jié) 論

（1） 數(shù)值模擬分析表明，常村礦2107 綜放面現(xiàn)有的200 m 煤柱邊界對(duì)應(yīng)的地表下沉量為1.09 m，隨著遠(yuǎn)離邊界地表下沉量逐漸減小，到120 m位置時(shí)，地表下沉量減小為0.04 m（40 mm），因此，確定采動(dòng)對(duì)地表的超前影響范圍大約80 m。

（2） 在村莊保護(hù)煤柱邊界采用切頂卸壓措施后，200 m 的村莊保護(hù)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(shí)120m 位置的0.04 m（40 mm）。切頂技術(shù)控制地表下沉具有明顯的效果。

（3） 當(dāng)村莊保護(hù)煤柱寬度降低20 m，即由200 m 減小到180 m 時(shí)，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(shí)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(hù)煤柱邊界位置采取切頂卸壓措施，可以精準(zhǔn)控制巖層移動(dòng)角度，減小采動(dòng)對(duì)地表的超前影響范圍，減小村莊保護(hù)煤柱寬度20 m，仍然可以有效的控制地表村莊的建筑物。