村莊壓煤非連續柱式置換開采方案數值模擬

張 超

（潞安環保能源開發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，隨著國家經濟建設的快速發展，以及現代化煤礦企業構建的步伐跟進，煤炭資源的保護性開采、綠色開采等理念的引領，煤礦充填置換開采技術逐漸成為村莊下壓煤開采的首選技術方法。村莊下壓煤開采既要考慮技術方法本身的合理性，也要綜合分析其經濟技術效益[4,5]，所以基于村莊下壓煤特點選擇最優化的開采技術方案成為最重要的技術環節，本文基于王莊煤礦村莊下壓煤特點，提出了非連續柱式置換開采技術方案，并對其進行數值模擬計算分析，以便獲取最優化的技術參數，目的在于獲得王莊煤礦村莊下壓煤的最合適開采技術方案。

1 數值計算模型構建

采用數值計算軟件UDEC對王莊煤礦村莊下壓煤非連續柱式置換開采進行數值模擬。UDEC是目前地下采礦尤其是采場問題最適用的數值計算軟件，其是針對非連續介質模型的二維離散元數值計算程序，對巖體的力學行為特征進行模擬，并對各種邊值問題和行為過程進行分析，并做出相應的預測和預報。結合CAD技術，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、應力等變化和變形破壞情況[6]。

根據王莊煤礦主采煤層地質條件，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，主要堅硬巖層每15m劃分一條節理，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參數不容易選取，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 數值計算方案及參數選取

2.1 數值計算巖層力學參數選取

為了方便參數選取以及保證模擬結果的有效性，模型中主要對主采煤層、堅硬巖層、軟弱巖層等力學參數進行賦值，見表1和表2。模型中材料本構模型選用Mohr-coulomb模型。

表1 塊體力學參數

表2 接觸面力學參數

2.2 非連續柱式置換開采的數值模擬方案

非連續柱式置換開采，如圖1所示，本次數值計算采用以沿煤房方向做剖面的二維可視化模式，根據回采留設煤柱大小不同，設計兩種方案：1m小煤柱（方案a）和2m小煤柱（方案b）。非連續柱式開采技術，工作面兩側保護煤柱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，即矸石壓縮系數為0.15，在模型中反映為留接頂距離1m。在數值計算過程中，為了便于相關數據的采集，在模型中的主要關鍵巖層層位沿模型方向均布置了測線，每條測線200個測點，序號由大到小分別代表由最上部至最下部主要關鍵層的測線。

圖1 非連續柱式置換開采示意圖

3 數值計算結果分析

3.1 模型關鍵層位的垂直位移分析

在采用非連續柱式置換開采時，關鍵層位的垂直位移統計數據見表3。主要關鍵層位的下沉值并不均一，這意味著主要關鍵層位之間有一定的離層，主要是由于各個關鍵層的層厚、力學特征、物理特性等存在差異，導致接受應力變形的能力不統一。同時也可以看出，同一計算方案內關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。

表3 模型關鍵層位位移量統計

3.2 模型關鍵層位水平位移分析

在采用非連續柱式置換開采時，回采空間間隔分別為1m和2m兩種計算方案的關鍵層位的垂直位移，統計值見表3。兩種方案的關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定性提高的程度是存在較大差異的。

3.3 模型中間監測點垂直位移分析

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

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，導致其快速失穩至充填矸石快速接頂達到穩定，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，在保持一定強度的條件下充填矸石相對緩慢接頂至穩定。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定起到顯著效果。

圖2 模型中央監測點垂直位移

如圖3（a，b）分別為1m和2m間隔方案模型最上部關鍵層位中央監測點的垂直位移速度，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時間短至穩定，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，導致其快速失穩至充填矸石快速接頂達到穩定，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時間較長至穩定，即在保持一定強度的條件下充填矸石相對緩慢接頂至穩定。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定起到顯著效果。

圖3 模型中央監測點垂直位移速度

4 效果分析與結論

根據地表下沉≥10mm作為采動影響范圍的標準，結合建模的幾何參數，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行分析，見表4。依據我國《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設及壓煤開采規程》中對礦區內磚混結構建筑物損壞等級的劃分[7]，兩種方案中的三個關鍵技術指標最大水平變形、最大水平位移和最大傾斜均滿足《規程》中規定的Ⅰ級規定要求，即關鍵技術指標均在水平變形ε≤2.0mm/m，曲率K≤0.2×10/m，傾斜i≤3.0mm/m要求范圍內。而兩個方案進行對比分析，可以看出，方案a地表移動指標值明顯高于方案b，方案a中最大傾斜值已經達到《規程》中Ⅰ級規定上限，因此，方案b是最優的開采方案。

表4 地表移動變形主要技術參數統計