邊界煤柱工作面開采尺寸的模擬優化研究

周一君

（晉能控股煤業集團晉中公司，山西 晉中 030600）

新大地煤業目前可利用的可采儲量越來越少，對邊界煤柱進行優化開采已經迫在眉睫。一般來說，村莊保護煤柱的尺寸留設越大，對村莊建筑物保護的效果就越明顯，但是較大的煤柱尺寸留設勢必會造成大量的資源浪費。因此，在確保村莊建筑物安全的基礎上盡可能小的留設煤柱，不僅可以增加開采的煤炭資源，避免資源的浪費，而且對于新大地煤業生存發展和穩定具有重要的現實意義。

1 工程概況

晉能控股煤業集團晉中公司新大地煤業2390煤柱工作面位于二水平東采區，2390 煤柱工作面周邊為采空區，地面沉陷已經穩定。2390 煤柱工作面開采煤層為9 煤，煤層厚度在0.4～14.09 m，煤層傾角平均為11°，平均厚度為7.0l m，采用綜采放頂煤開采方式。2390 煤柱區域內標高-405～-293 m，對應地面標高+25.1～+26.3 m。2390 煤柱工作面綜放開采引起的地表移動和變形影響范圍內的建（構）筑物主要有：位于2390 煤柱工作面對應的地面東南方向的茅草營村莊，茅草營村莊位于新大地煤業東南部。

2 新大地煤業2390 煤柱開采方案

2.1 地表建筑物保護煤柱留設

地下開采要充分考慮地表建筑物的位置。當工作面推進接近村莊邊界時，要充分考慮預留煤柱的寬度，合理留設煤柱，從而避免采動影響對地面建筑物的破壞，以保障居住安全。

根據計算得出新大地煤業保護煤柱的各個參數，通過垂直剖面法設計村莊保護煤柱，從而得出開采2390 煤柱所需要的尺寸約為296 m。為了方便計算，按300 m 計算。根據保護煤柱尺寸的大小以及2390 煤柱的尺寸，合理布置工作面的長度，可以有效地避免開采對村莊造成的影響。根據計算結果和邊界煤柱分布情況，將2390 煤柱工作面傾向長度設定為100 m[1-3]。

2.2 2390 煤柱開采數值模擬分析

2.2.1 數值模擬模型的建立

UDEC 作為一種研究完整塊體和節理裂隙面構成的非聯系結構體，其中對塊體集合的位移及變形模擬更多地使用以拉格朗日計算方式的典型結構體，因此對于不連續的二維離散元，通常采用UDEC 數值模擬軟件進行數值分析處理。

新大地煤業2390 煤柱工作面開采主要對距離村莊較近的茅草營村莊西北角區域產生破壞作業，在沿距離村莊最近位置設置剖面，建立UDEC 二維模型，結合新大地煤業2390 煤柱區域內的地質條件，沿煤層傾向建立模型長×寬為660 m×400 m。左邊界煤柱留設為200 m，沿傾向剖面的模型一次開挖的長度與工作面等長為100 m，消除模型邊界效應。

2.2.2 數值模擬結果及分析

本次模擬在地表設置測線，測線上設置測點，地表下沉的測線設置的測點為66 個，監測點間距為10 m。在數值模型上邊界設置觀測線來監測地下工作面的開挖對地表變形的影響。在距離煤層頂板360 m 處布置一條觀測線，通過監測得到工作面長100 m 時的地表垂直位移曲線圖，監測點距離模型左邊界的距離設為橫軸L/m，下沉值為縱軸，根據模擬計算的下沉曲線圖，繪制出了地表變形的傾斜曲線圖、曲率曲線圖、水平變形曲線圖如圖1。

（1）由圖1（a）下沉曲線可知，地表隨上覆巖層移動逐漸下沉，主工作面正上方為最大下沉值901 mm，距離工作面300 m 的村邊界位置為最小下沉值26 mm。

（2）由圖1（b）傾斜曲線圖可知，最大正傾斜值為6.72 mm/m，最小負傾斜值為-7.48 mm/m，村莊西北角監測點傾斜值為-0.450 mm/m，村莊內傾斜值均小于3 mm/m 以下，傾斜變形情況在允許范圍內。

（3）由圖1（c）曲率曲線圖可知，最大曲率值為0.115 mm/m2，最小曲率值為-0.184 mm/m2，村莊西北角曲率值為0.018 mm/m2，村莊內曲率值均小于0.2 mm/m2，曲率變形情況在允許的范圍內。

（4）由圖1（d）水平變形曲線圖可知，最大正水平變形值為7.15 mm/m，最小負水平變形值為-11.96 mm/m，村莊西北角傾斜值為1.18 mm/m，村莊內其余區域傾斜值均較小，因此水平變形引起的村莊變形在允許的范圍之內。

圖1 工作面傾向長100 m 時地表曲線圖

通過以上分析可知，新大地煤業2390 煤柱開采預留煤柱對村莊產生的傾斜變形、曲率、水平變形均在建筑物破壞等級Ⅰ范圍之內，所以采用垂直剖面法設計的煤柱尺寸可以保證煤柱的開采對村莊建筑物不造成破壞。

2.3 2390 煤柱工作面尺寸優化

在保證村莊建筑物安全性的基礎上，為充分提高采出率，對工作面傾向長度進行優化。工作面傾向長度最大設置為140 m，利用UDEC 軟件模擬當工作面長度分別為110 m、120 m、130 m、140 m 時，對留設煤柱的安全性進行預計。不同傾向長度開采時地表下沉曲線圖、傾斜曲線圖、曲率曲線圖、水平變形曲線圖如圖2 所示，在村莊西北角的傾斜、曲率、最大水平變形值見表1～表3。

（1）根據圖2（a）所示，當工作面傾向長度為110～140 m 時，地表最大下沉值從1300 mm 增加到2400 mm，位于600 m 處村莊西北角下沉量也從28 mm 增加到37 mm。

（2）根據圖2（b）及表1 分析可知，工作面傾向長110～140 m 開采時對村莊西北角產生的最大傾斜變形的范圍在-0.47～-0.66 mm/m，傾斜變形隨著工作面尺寸的增加而增大，其變形值均小于3 mm/m，村莊變形均在Ⅰ級變形范圍之內。

表1 不同傾斜長度開采時最大傾斜變形值（imax）

（3）根據圖2（c）及表2 分析可知，工作面傾向長110～140 m 開采時對村莊西北角產生的最大曲率變形的范圍在0.029～0.041 mm/m2，曲率變形隨著工作面尺寸的增加而增大，其變形均小于0.2 mm/m，村莊曲率變形均在Ⅰ級變形范圍之內。

表2 不同傾斜長度開采時最大曲率變形值（Kmax）

（4）根據圖2（d）及表3 分析可知，工作面傾向長110～140 m 開采時對村莊西北角產生的最大水平變形的范圍在1.90～2.56 mm/m，工作面傾向長110～140 m 范圍內村莊水平變形均在Ⅱ級變形范圍之內。

圖2 不同傾向長度開采地表曲線圖

綜合圖2 以及表1～表4 可知，工作面傾向長度在110～140 m 范圍內進行開采引起的村莊傾斜變形、曲率變形均在Ⅰ級變形范圍內，但是隨工作面尺寸增加，村莊最大水平變形超出允許范圍。根據UDEC 監測數值以及圖2（d）數值分析可知，村莊范圍內的水平變形的監測點在600～650 m 范圍內，變形值見表4。

表4 不同工作面傾向尺寸下村莊最大水平變形值情況

當工作面傾向長度為110 m、120 m、130 m，預留煤柱的長度大于300 m 時，村莊建筑物在允許變形值范圍內。當工作面傾向長度為140 m，預留煤柱尺寸大于310 m 時，村莊建筑物在允許變形值范圍內。綜合考慮2390 煤柱工作面開切眼的實際情況，確定2390 煤柱工作面傾向長度為130 m 合適。

3 結論

利用UDEC 模擬軟件對2390 煤柱開采引起的地表沉陷進行模擬，得到了村莊距離開采邊界最近位置西北角水平變形值1.18 mm/m，傾斜變形值-0.45 mm/m，曲率變形值0.014 mm/m2，其變形值均在允許范圍之內。考慮到開切眼及停采線附近距離村莊邊界較遠，為了充分采出邊界煤柱，提高采出率，將工作面傾向長度分別布置為110 m、120 m、130 m、140 m，利用UDEC 軟件進行模擬分析，確定距離村莊西北角最小的安全煤柱的寬度為300～310 m，從而可對工作面尺寸進一步優化，最終確定工作面沿走向分段傾斜長度為130 m。優化工作面尺寸可以充分地采出邊界煤柱，提高礦井的經濟效益。