村庄下压煤非连续刀柱式矸石充填开采数值模拟分析

魏小东

(潞安环保能源开发股份有限公司王庄煤矿，山西长治 046031)

0 引言

目前，村庄下压煤资源开采的主要方法包括:固体充填开采、部分开采、覆岩离层区注浆、联合开采与协调开采和膏体充填技术。村庄下压煤资源开采技术的选择，既要考虑技术本身的合理与否，也要考虑其经济技术效益。因此，方案的优化选择就显得非常重要，本文提出非连续刀柱式矸石充填开采技术方案，并通过数值模拟进行主要参数的分析优化，以期望得到适合王庄煤矿的村庄开采技术方案［1～7］。

1 UDEC简介

UDEC4.0(Universal Distinct Element Code)是针对非连续介质模型的二维离散元数值计算程序，主要包括两方面的内容:(1)离散的岩块允许大变形，允许沿节理面滑动、转动和脱离冒落; (2)在计算过程中能够自动识别新的接触。UDEC软件主要模拟静载或动载条件下非连续介质(如节理块体)的力学行为特征，非连续介质是通过离散块体的组合来反映的，节理被当作块体间的边界条件来处理，允许块体沿节理面运动及回转。单个块体可以是刚体的或者是可变形的，接触是可变形的。可变形块体再被细化为有限差分元素网格，每个元素的力学特性遵循规定的线性或非线性的应力、应变规律，节理的相对运动也是遵循法向或切向的线性或非线性运动关系。

2 数值计算方案及参数选取

2.1 数值计算岩层力学参数选取

潞安王庄煤矿地下岩层软硬岩层互层规律明显，考虑到数值计算研究上覆岩层变形规律的目的，为方便数值计算的参数选取，模型中主要对坚硬岩层和软弱岩层的力学参数进行赋值。模型中材料本构模型选用Mohr－coulomb模型，模型的参数见表1。

2.2 非连续刀柱式矸石充填开采数值计算方案

非连续柱式矸石充填开采平面示意图，如图1所示，数值计算采用二维模式，因此沿开采方向做剖面进行模拟。

根据工作面开采期间留设刀柱宽度大小不同，设计三种非连续刀柱式矸石充填开采方案分别为:刀柱式煤柱宽分别为5 m、10 m和15 m，工作面两侧保护煤柱20 m，开采宽度30 m，工作面搬家倒面通道宽度5 m。由于散体矸石存在一个压缩固结过程，因此矸石置换充填按等效采高0.85采高，即矸石压缩系数为0.15，模型中反映为留接顶距离1 m。

三种方案的数值计算模型，如图2(a、b、c)所示。

表1 块体力学参数

图1 非连续刀柱式矸石充填开采示意图

3 数值计算结果分析

3.1 模型岩层垂直位移分析

刀柱宽度分别为5 m、10 m和15 m三种计算方案的主要关键层位［8］的垂直方向最大下沉位移，如图3(a，b，c)。从统计的数据可以看出，由于关键层位的岩层厚度和强度的差异导致其抗弯曲变形能力的不统一，关键层位的下沉值并不均一，图3中30#测线为控制地表的关键层位，三种计算方案其最大下沉值分别为 1035.9 mm、 445.13 mm和180.69 mm。

图2 数值计算方案模型

图3 不同关键层位垂直位移

从统计数据的对比分析可以看出，两种方案的最大下沉值差异很大，15 m刀柱方案最优、10 m刀柱方案次之、5 m刀柱方案最差。

3.2 模型主要关键层位水平位移分析

图4 不同关键层位水平位移

在非连续刀柱式矸石充填开采时，刀柱宽度分别为5m、10m和15m三种计算方案主要关键层位的水平方向位移，如图4(a，b，c)。图4中30#测线为控制地表的关键层位，三种计算方案其最大下沉值分别为17.455 mm、15.320 mm和6.3651 mm。

从图4中可看出，三种方案的主要关键层位的水平位移整体上差别较大，同方案内的水平位移差别是由于关键层位岩层的厚度和强度不同所导致，不同方案之间的水平位移的差别是由于下部刀柱宽度留设的差别导致，不同方案之间，尤其反映地表水平移动的层位水平位移差别较大，15 m刀柱方案最优、10 m刀柱方案次之、5 m刀柱方案最差。

3.3 模型中央监测点垂直位移量分析

如图5(a，b，c)所示，分别为5m、10m和15m刀柱宽度开采方案模型最上部关键层位中央监测点的垂直位移。

从图5中可以看出，图5(a)与图5(b、c)存在数量级的差别，图5(a)反映的5m刀柱方案中央测点垂直位移为米级，而图5(b，c)远未达到米级。方案b和方案c的差别在于，10m刀柱方案曲线末端反映地表下沉基本结束，即在煤柱和充填体充分接顶后，煤柱体基本趋于稳定，而15m刀柱方案曲线末端反映地表下沉已经完全停止，即在煤柱和充填体充分接顶后，煤柱和充填体已完全有效控制了顶板进一步下沉。

3.4 模型中央监测点垂直位移速度

图5 模型中央监测点垂直位移量曲线

图6 模型中央监测点垂直位移速度曲线

图7 模型变形破坏状态

模型中央监测点的垂直位移速度，如图6(a，b，c)所示。三种方案曲线反映的实质是存在差别的，图6(a)反映了5 m刀柱迅速变形失稳而主要由充填体适应上覆岩层活动压力，而图6(c)反映了15 m煤柱在初期快速有效控制了顶板活动，而后期由煤柱和充填体共同载体控制上覆岩层活动压力。对于图6(b)反映了10 m刀柱在初期对顶板下沉具有较强的控制能力，但是其自身并未能有效控制上覆岩层下沉，而后由煤柱和充填体组成的共同承载体控制上覆岩层的活动。

3.5 模型稳定性分析

如图7(a，b，c)所示，分别反映了5m、10m和15 m刀柱方案煤柱和充填体屈服和破坏情况。从图中可以很明显地看出，5 m刀柱方案煤柱已完全变形失稳，同时充填体也存在较大范围的二次屈服失稳。10 m刀柱方案煤柱仍然存在一定范围的弹性核(未破坏区)，说明煤柱本身仍具有较强的承载能力，充填体仅有小范围的二次屈服破坏(矸石压实之后的破坏)。15 m刀柱方案煤柱本身仍存在较大范围的弹性核(未破坏区)，仍存在很强的承载能力，充填体基本保持完整。

4 置换开采方案优化选择分析

按照地表下沉超过10mm作为采动影响范围的标准，结合建模的几何参数，三类方案的主要采动影响半径基本均为150 m，下面将基于主要影响半径为150 m的基础上，从最大下沉值、最大倾斜、最大曲率、最大水平位移、最大水平变形5个主要地表下沉变形参数的角度进行方案的分析选择。

结合近水平或缓倾斜煤层地表移动和变形的相关参数计算公式［9］，得出的其它三个方案的地表下沉变形统计参数，分别见表2。

根据我国《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设及压煤开采规程》规定［9］，按照开采影响引起的最大水平变形ε、最大曲率K、最大倾斜i三项关键指标，我国将矿区范围内的建筑物划分成四级。从表2所统计的数据可以看出，三个方案中的三项关键技术指标中的最大水平变形ε、最大曲率K均小于《规程》规定的Ⅰ～Ⅳ级损坏等级标准，只有方案a的最大倾斜大于《规程》中Ⅱ级损坏等级6.0 mm/m。方案b和方案c中的三项关键指标均小于《规程》中Ⅰ～Ⅳ级损坏等级标准，所以从开采损坏的角度看方案b和方案c均可以作为可行方案，但是从提高采出率的角度看，方案b和方案c相比较可以提高采出率30%，而且在工作面推进长度一定的条件下可以大幅度减少搬家倒面的次数30%，有利于提高开采效率，因此，方案b是最为优的开采方案。

表2 三个方案地表下沉主要技术参数统计表

5 结论

1)通过数值计算，从关键层位垂直位移、关键层位水平位移、模型中央点垂直位移和下沉速度、采场主要围岩体稳定性等角度，对提出的三类方案进行了定量和定性分析。

2)依据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设及压煤开采规程》中建筑物下采煤损害等级规定，从最大水平变形ε、最大曲率K、最大倾斜i三项关键指标方面，对比分析了三类方案可行性，得出了方案b和方案才两个可行方案。

3)针对方案b和方案c两个可行方案，从煤炭采出率和开采效率角度进一步对比了两个可行方案的优劣，最终确定了最优的方案b。

［1］ 查剑锋.矸石充填开采沉陷控制基础问题研究［D］.徐州:中国矿业大学，2008.

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［8］ 钱鸣高，缪协兴，许家林，等.岩层控制的关键层理论［M］.徐州:中国矿业大学出版社，2003.

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