村庄下短壁开采关键层与煤柱变形特征研究

徐天发

(伊泰集团有限公司工程管理部，内蒙古 鄂尔多斯 017000)

覆岩关键层控制其上覆直至地表所有岩层的运动，为了避免地表出现过大下沉或波浪下沉，应设计合理的采宽与留宽，以保证上覆岩层中的关键层在留设煤柱支撑下不发生破断而保持稳定，从而起到支撑其上覆岩层直至地表的岩层、控制地表的沉陷、保护地面设施的作用［1，2］。

某矿村庄下压煤总量达6 313．4万t，占矿井开采储量的1/4以上，随着开采年限的增加与开采强度的加大，优势地质储量越来越少，企业迫切需要研究有效的开采方法释放村庄下压煤。短壁开采技术是开采村庄下压煤的一种有效途径，研究覆岩关键层与煤柱随开采宽度变化的变形规律是短壁开采设计的基础，对确定村庄下采煤的合理采宽与留宽具有重要意义［3－5］。

1 工程概况

某矿主采6#煤层，埋深350 m。煤层厚度稳定，平均厚度6．52 m，倾角平均为4°，煤体松散破碎。短壁开采试验区域内有一向斜及H=10．0 m、∠70°的正断层。试验区域的巷道布置如图1所示。

2 数值模型建立

根据短壁开采的采场布置，采用大型有限元工程计算软件ANSYS软件，采用如图2所示的平面计算模型。其边界条件为：模型两侧为滑动铰支约束，下表面固支约束，上表面自由并承受与覆岩厚度相应的垂直应力，即q=γH，γ为上覆岩层平均容重，H为采场至地表深度。考虑到减少边界效应，取5个采硐进行数值模拟。计算时岩层参数选取见表1。

表1 数值计算的力学特性参数

在计算中采用plane182单元，在重点分析部位如煤柱和关键层处设置较密的网格划分，其它区域的网格则稀疏些，模型共有8到10万个单元，具体网格剖分如图3所示。

图3 网格剖分

3 模拟方案设计

为分析弹性条件下煤柱及关键层的变形与煤柱宽度变化之间的关系，采用以下方案进行模拟分析：

1) 采宽L为24 m保持不变，分别取a=15 m，20 m，25 m 3种计算模型。

2) 采宽L为36 m保持不变，分别取a=20 m，25 m，30 m，35 m，40 m 5种计算模型。

3) 采宽L为48 m保持不变，分别取a=25 m，30 m，35 m，40 m，45 m，50 m 6 种计算模型;

4) 采宽L为60 m保持不变，分别取a=35 m，40 m，45 m，50 m，55 m，60 m 6 种计算模型;

5) 采宽L为72 m保持不变，分别取a=50 m，55 m，60 m，65 m，70 m 5 种计算模型。

4 模拟结果分析

固定采宽L分别为24 m、36 m、48 m、60 m和72 m时，改变煤柱宽度a进行计算，得到关键层与煤柱变形的曲线见图4～5。图中横坐标0点为采空区上方关键层水平方向中心点，x值为关键层某点与该中心点的距离，纵坐标为关键层下边界各点的下沉量，坐标系见图2。

如图4，在开采宽度较小时，关键层的下沉量取决于煤柱压缩量，关键层呈现整体下沉现象。

当L=24 m不变，煤柱宽度a=15 m时，采出率为61．54%，变形量达1 m以上，采出率分别为54．55%和48．98%时，变形量分别为达0．73 m和0．54 m。因此，当开采宽度L为24 m时，煤柱宽度应在20 m以上，如图4(a)。

图4 采宽较小时不同煤柱宽度顶板下沉量

当L=36 m不变，煤柱宽度a=20 m，25m时，采出率分别为64．29%、59．02%，变形量达1 m或以上;煤柱宽度a=30 m，35 m，40 m时，采出率分别为54．55%、50．71%、47．37%，变形量在 1 m 以下。因此当开采宽度 L为36 m时，煤柱宽度应在30 m以上。

当L=48 m不变，在煤柱宽度小于40 m时，采空区的变形明显超过煤柱的压缩量，关键层变形量在1 m以下。因此，当开采宽度L为48 m时，煤柱宽度应在40 m或以上。

如图5所示，当开采宽度较大时(大于48 m)，关键层呈现弯曲下沉现象，关键层的下沉量主要取决于采空区面积，采空区面积越大，关键层下沉量越大;在相同采宽条件下，保护煤柱宽度越大，顶板下沉量越小，且采宽越大，影响越不明显。当开采宽度大于48 m时，即使保持较大的煤柱宽度，采空区关键层变形量依然很大，不能满足岩层控制的要求。

5 结论

1)在开采宽度相同时，保护煤柱尺寸越大，关键层下沉量与煤柱压缩量越小。

2)在开采宽度较小时，关键层的下沉量取决于煤柱的压缩量，关键层呈现整体下沉现象，基于关键层控制要求，煤柱宽度与开采宽度之比应大于5/6。

3)当开采宽度较大时，关键层的下沉量取决于采空区的面积，关键层呈现弯曲下沉现象，即使保留较大尺寸的煤柱，仍无法控制关键层下沉量。

图5 采宽较大时不同煤柱宽度顶板下沉量

［1］ 徐金海，刘克功，卢爱红．短壁开采覆岩关键层黏弹性分析与应用［J］．岩石力学与工程学报，2006，25(6)：1147－1151．

［2］ 赵洪亮，徐金海．短壁开采的关键层变形与地表沉降耦合作用的数值分析［J］．能源技术与管理，2008(1)：18－20．

［3］ 刘克功，王家臣，徐金海．短壁机械化开采方法与煤柱稳定性研究［J］．中国矿业大学学报，2005，34(1)：24－29．

［4］ 李洪武，徐金海．村庄下高效短壁机械化开采实践研究［J］．采矿与安全工程学报，2006，23(2)：177－181．

［5］ 何兴华，王连国，梁兴旺，等．短壁开采合理煤柱宽度的确定［J］．中国矿`业，2007，16(2)：51－53．