張 超

（潞安環(huán)保能源開發(fā)股份有限公司王莊煤礦，山西 長治 046031）

目前，村莊下壓煤開采，主要采用搬遷開采、不搬遷全部開采和不搬遷充填開采等[1-4]。近年來，隨著國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展，以及現(xiàn)代化煤礦企業(yè)構(gòu)建的步伐跟進(jìn)，煤炭資源的保護(hù)性開采、綠色開采等理念的引領(lǐng)，煤礦充填置換開采技術(shù)逐漸成為村莊下壓煤開采的首選技術(shù)方法。村莊下壓煤開采既要考慮技術(shù)方法本身的合理性，也要綜合分析其經(jīng)濟(jì)技術(shù)效益[4,5]，所以基于村莊下壓煤特點(diǎn)選擇最優(yōu)化的開采技術(shù)方案成為最重要的技術(shù)環(huán)節(jié)，本文基于王莊煤礦村莊下壓煤特點(diǎn)，提出了非連續(xù)柱式置換開采技術(shù)方案，并對其進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算分析，以便獲取最優(yōu)化的技術(shù)參數(shù)，目的在于獲得王莊煤礦村莊下壓煤的最合適開采技術(shù)方案。

1 數(shù)值計(jì)算模型構(gòu)建

采用數(shù)值計(jì)算軟件UDEC對王莊煤礦村莊下壓煤非連續(xù)柱式置換開采進(jìn)行數(shù)值模擬。UDEC是目前地下采礦尤其是采場問題最適用的數(shù)值計(jì)算軟件，其是針對非連續(xù)介質(zhì)模型的二維離散元數(shù)值計(jì)算程序，對巖體的力學(xué)行為特征進(jìn)行模擬，并對各種邊值問題和行為過程進(jìn)行分析，并做出相應(yīng)的預(yù)測和預(yù)報(bào)。結(jié)合CAD技術(shù)，可以形象直觀地反映受采動影響之后采場圍巖和上覆巖層位移、應(yīng)力等變化和變形破壞情況[6]。

根據(jù)王莊煤礦主采煤層地質(zhì)條件，模擬村莊下不同開采形式對地表下沉的影響。模擬煤層厚度6.5m，煤層埋深400m。根據(jù)研究的需要，模擬過程中主采煤層的煤體劃分為0.5m×0.5m的塊體，主要堅(jiān)硬巖層每15m劃分一條節(jié)理，模型底邊界垂直方向固定，左右邊界水平方向固定。由于表土、含砂粘土、粉砂和粉砂粘土物理力學(xué)參數(shù)不容易選取，同時考慮到其只是作為基巖的上覆載荷，因此計(jì)算方案中模型上邊界至最上部基巖位置，對表土等松散層視為均布荷載。

2 數(shù)值計(jì)算方案及參數(shù)選取

2.1 數(shù)值計(jì)算巖層力學(xué)參數(shù)選取

為了方便參數(shù)選取以及保證模擬結(jié)果的有效性，模型中主要對主采煤層、堅(jiān)硬巖層、軟弱巖層等力學(xué)參數(shù)進(jìn)行賦值，見表1和表2。模型中材料本構(gòu)模型選用Mohr-coulomb模型。

表1 塊體力學(xué)參數(shù)

表2 接觸面力學(xué)參數(shù)

2.2 非連續(xù)柱式置換開采的數(shù)值模擬方案

非連續(xù)柱式置換開采，如圖1所示，本次數(shù)值計(jì)算采用以沿煤房方向做剖面的二維可視化模式，根據(jù)回采留設(shè)煤柱大小不同，設(shè)計(jì)兩種方案：1m小煤柱（方案a）和2m小煤柱（方案b）。非連續(xù)柱式開采技術(shù)，工作面兩側(cè)保護(hù)煤柱20m，回采煤房寬5m，回采空間寬5.0m，矸石置換充填按等效采高0.85采高，即矸石壓縮系數(shù)為0.15，在模型中反映為留接頂距離1m。在數(shù)值計(jì)算過程中，為了便于相關(guān)數(shù)據(jù)的采集，在模型中的主要關(guān)鍵巖層層位沿模型方向均布置了測線，每條測線200個測點(diǎn)，序號由大到小分別代表由最上部至最下部主要關(guān)鍵層的測線。

圖1 非連續(xù)柱式置換開采示意圖

3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

3.1 模型關(guān)鍵層位的垂直位移分析

在采用非連續(xù)柱式置換開采時，關(guān)鍵層位的垂直位移統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見表3。主要關(guān)鍵層位的下沉值并不均一，這意味著主要關(guān)鍵層位之間有一定的離層，主要是由于各個關(guān)鍵層的層厚、力學(xué)特征、物理特性等存在差異，導(dǎo)致接受應(yīng)力變形的能力不統(tǒng)一。同時也可以看出，同一計(jì)算方案內(nèi)關(guān)鍵層位的下沉值并無大的差異。表中30#測線為控制地表的關(guān)鍵層位，兩種方案其最大下沉值分別為449.23mm和174.98mm。對比分析，方案a和方案b最大下沉值存在很大差異，單從下沉量來考慮，方案b的2m煤柱方案較優(yōu)。

表3 模型關(guān)鍵層位位移量統(tǒng)計(jì)

3.2 模型關(guān)鍵層位水平位移分析

在采用非連續(xù)柱式置換開采時，回采空間間隔分別為1m和2m兩種計(jì)算方案的關(guān)鍵層位的垂直位移，統(tǒng)計(jì)值見表3。兩種方案的關(guān)鍵層位的水平位移差別明顯，基本上1m小煤柱方案水平位移均大于2m小煤柱方案1倍以上，2m小煤柱方案明顯優(yōu)于1m方案，說明在充填體的水平約束作用下，對兩種方案煤柱的穩(wěn)定性提高的程度是存在較大差異的。

3.3 模型中間監(jiān)測點(diǎn)垂直位移分析

如圖2（a，b）所示，分別為1m和2m間隔方案模型最上部關(guān)鍵層位中央監(jiān)測點(diǎn)的垂直位移。

圖2（a）曲線反映1m間隔煤柱模型地表快速下沉至穩(wěn)定，這說明充填體在初期對1m小煤柱水平約束提高其承載能力的作用有限，導(dǎo)致其快速失穩(wěn)至充填矸石快速接頂達(dá)到穩(wěn)定，而圖2（b）曲線反映充填矸石在初期對2m小煤柱水平約束提高其承載能力的作用效果顯著，在保持一定強(qiáng)度的條件下充填矸石相對緩慢接頂至穩(wěn)定。盡管兩種方案存在差異，但是都說明充填矸石在接頂前后對煤柱+充填體+承重巖層體系快速穩(wěn)定起到顯著效果。

圖2 模型中央監(jiān)測點(diǎn)垂直位移

如圖3（a，b）分別為1m和2m間隔方案模型最上部關(guān)鍵層位中央監(jiān)測點(diǎn)的垂直位移速度，從圖中可以直觀看到前者與后者在下沉速度方面存在數(shù)量級的差別，前者顯著大于后者。圖3（a）曲線反映1m間隔煤柱模型地表快速持續(xù)時間短至穩(wěn)定，這再次說明充填體在初期對1m小煤柱水平約束提高其承載能力的作用有限，導(dǎo)致其快速失穩(wěn)至充填矸石快速接頂達(dá)到穩(wěn)定，而3（b）曲線反映充填矸石在初期對2m小煤柱水平約束提高其承載能力的作用效果顯著，地表下沉速度相對較慢持續(xù)時間較長至穩(wěn)定，即在保持一定強(qiáng)度的條件下充填矸石相對緩慢接頂至穩(wěn)定。盡管兩種方案存在差異，但是都說明充填矸石在接頂前后對煤柱+充填體+承重巖層體系快速穩(wěn)定起到顯著效果。

圖3 模型中央監(jiān)測點(diǎn)垂直位移速度

4 效果分析與結(jié)論

根據(jù)地表下沉≥10mm作為采動影響范圍的標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合建模的幾何參數(shù)，兩類方案的主要采動影響半徑均為150m。本文基于影響半徑范圍內(nèi)的最大下沉值、最大傾斜、最大水平位移、最大水平變形和最大曲率5個角度對兩個方案的模擬效果進(jìn)行分析，見表4。依據(jù)我國《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)及壓煤開采規(guī)程》中對礦區(qū)內(nèi)磚混結(jié)構(gòu)建筑物損壞等級的劃分[7]，兩種方案中的三個關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)最大水平變形、最大水平位移和最大傾斜均滿足《規(guī)程》中規(guī)定的Ⅰ級規(guī)定要求，即關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)均在水平變形ε≤2.0mm/m，曲率K≤0.2×10/m，傾斜i≤3.0mm/m要求范圍內(nèi)。而兩個方案進(jìn)行對比分析，可以看出，方案a地表移動指標(biāo)值明顯高于方案b，方案a中最大傾斜值已經(jīng)達(dá)到《規(guī)程》中Ⅰ級規(guī)定上限，因此，方案b是最優(yōu)的開采方案。

表4 地表移動變形主要技術(shù)參數(shù)統(tǒng)計(jì)