特厚煤层充填开采条件下分层开采的高度和控顶距研究

任军科

（山西乡宁焦煤集团 东沟煤业有限公司，山西 乡宁 042100）

特厚煤层充填开采条件下分层开采的高度和控顶距研究

任军科

（山西乡宁焦煤集团 东沟煤业有限公司，山西 乡宁 042100）

针对国内某大型煤矿开采煤层厚度大、埋深深的特点，分析了不同采高、不同开采控顶距条件下工作面采场围岩的稳定性，得出了采高、控顶距对采场围岩的影响关系。

特厚煤层；充填开采；采高；控顶距

1 概述

为了保证某大型矿井特厚煤层分层开采时工作面的围岩稳定，并解决因开采带来的地表沉陷问题，针对该矿充填开采的特性，分析了不同分层开采高度、不同控顶距条件下工作面周围岩体的应力特征和位移特征，研究了分层高度和控顶距对采场围岩稳定性的影响。

2 方案确定及模型建立

该矿井开采煤层为四分层，为了分析开采高度和控顶距对工作面围岩稳定性的影响程度，分析开采高度为2m、4m、6m，控顶距为12m、4m时采场围岩的稳定性。其各分层煤岩的物理力学特性参数如表1所示。模型上边界为应力边界，受上覆岩层自重应力作用，取为q=13.6MPa；左右边界为水平位移固定约束；下边界为铅垂位移固定约束，重力加速度g=10m/s2。见图1。

编制有限元程序时，基于的理论依据如下：

平衡微分方程：σij，i+Fj=0.

几何方程：εij=0.5（μi，j+μj，）i.

应变协调方程：εij，kl+εkl，ij-εik，jl-εjl，ik=0.

物理方程：σij=λεkkδij+2Gεij.

Drucker模型：（fI1，J）2=αI1+=K.

3 结果分析

图1 计算模型图

表1 煤岩物理力学参数表

建立开采高度分别为2m、4m、6 m，控顶距分别为12m、4m时的6种数值计算模型，分析其各自的应力分布和位移分布数据后，提取数据，绘制出了图2的采场围岩破坏区域分布图。从图2知，工作面采过后，其后方采空区域的顶板和底板围岩、工作面控顶距区域顶板和底板都发生了破坏，工作面煤壁前方出现了较大的卸压区域及破坏区域。

整个围岩破坏区域分布中，充填体并未显示破坏，是因为计算中采用的充填体材料是线弹性模型；在图中画的区域形成破坏区，由于充填体用弹性材料模型计算，所以没有屈服。如果开采高度过高，会在左上角也形成破坏区，这是由于模型边界过小，填充体和岩体材料力学参数相差太多，根本不是一个级别造成的。整个破坏区域大致分为六个：采空区的顶板岩层及底板岩层、工作面控顶区域的顶板岩层及底板岩层、工作面前方煤壁、工作面前方老顶岩层。其中五个是连通的（采空区的顶板岩层及底板岩层、工作面控顶区域的顶板岩层及底板岩层、工作面前方煤壁）。

图2 工作面开采后围岩破坏区域分布图

表2是不同方案条件下采场围岩最大应力及顶底板位移的数据。从表2看出，最大顶板下沉量是采高6 m、控顶距12 m时，下沉量达0.247 m，此时底板底鼓量为0.041m。从表2可以基本得出这样结论：该矿背景条件下，顶板下沉量受采高影响为主，底板底鼓量受控顶距影响较大。

从此结果看出，开采高度和控顶距对采矿安全的影响非常明显。随着开采高度和控顶距的增大，工作面周围围岩的破坏区越来越大，铅垂应力峰值向工作面深部移动。在工作面前方，形成了破坏区，这是塑性求解和弹性求解的不同；采用弹性算法在工作面处的应力要大于再往深部的；但是塑性求解工作面由于进入破坏区、应力降低，再往里面应力会渐升高、再降低，最后进入原岩应力区。因此，寻找合理的采高和控顶距对于采矿安全非常重要。

表2 模型中各自最大应力和顶底板位移表

4 结论

本文针对国内某大型煤矿开采煤层厚度大、埋深深的特点，分析了不同采高、不同开采控顶距条件下工作面采场围岩的稳定性，得出了采高、控顶距对采场围岩的影响大小及影响效果。研究表明：（1）在六种不同的开采方案中，最大顶板下沉量是采高6m、控顶距12 m时，下沉量达0.247 m，此时底板底鼓量为0.041m。（2）该矿背景条件下，顶板下沉量受采高影响为主，底板底鼓量受控顶距影响较大。（3）随着开采高度和控顶距的增大，工作面周围围岩的破坏区越来越大，铅垂应力峰值向工作面深部移动，在工作面前方，围岩形成了大范围的破坏区。

[1]钱铭高，石平五.矿山压力与岩层控制[M].徐州：中国矿业大学出版社，2003.

[2]蔡美峰，何满潮，刘东燕.岩石力学与工程[M].北京：科学出版社，2002.

Height and Roof-control Distance of Layer Mining in the Condition of Extra-thick Coal Seam Filling Mining

REN Jun-ke
(Donggou Coal Co.,Shanxi Xiangning Coking Coal Group,Xiangning Shanxi 042100)

In view of the thick,deep-buried seams of one big mine in China,the study examines the surrounding rock stability in different mining heights and roof-control distances and draws their relationship.

extra-thick coal seam;filling mining;mining height;roof-control distance

TD322

A

1672-5050（2012）04-0049-02

2011-09-10

任军科（1977—），男，山西乡宁人，大专，助理工程师，从事煤矿开采等方面的研究工作。

刘新光