村庄压煤非连续柱式置换开采方案数值模拟

张 超

（潞安环保能源开发股份有限公司王庄煤矿，山西 长治 046031）

目前，村庄下压煤开采，主要采用搬迁开采、不搬迁全部开采和不搬迁充填开采等[1-4]。近年来，随着国家经济建设的快速发展，以及现代化煤矿企业构建的步伐跟进，煤炭资源的保护性开采、绿色开采等理念的引领，煤矿充填置换开采技术逐渐成为村庄下压煤开采的首选技术方法。村庄下压煤开采既要考虑技术方法本身的合理性，也要综合分析其经济技术效益[4,5]，所以基于村庄下压煤特点选择最优化的开采技术方案成为最重要的技术环节，本文基于王庄煤矿村庄下压煤特点，提出了非连续柱式置换开采技术方案，并对其进行数值模拟计算分析，以便获取最优化的技术参数，目的在于获得王庄煤矿村庄下压煤的最合适开采技术方案。

1 数值计算模型构建

采用数值计算软件UDEC对王庄煤矿村庄下压煤非连续柱式置换开采进行数值模拟。UDEC是目前地下采矿尤其是采场问题最适用的数值计算软件，其是针对非连续介质模型的二维离散元数值计算程序，对岩体的力学行为特征进行模拟，并对各种边值问题和行为过程进行分析，并做出相应的预测和预报。结合CAD技术，可以形象直观地反映受采动影响之后采场围岩和上覆岩层位移、应力等变化和变形破坏情况[6]。

根据王庄煤矿主采煤层地质条件，模拟村庄下不同开采形式对地表下沉的影响。模拟煤层厚度6.5m，煤层埋深400m。根据研究的需要，模拟过程中主采煤层的煤体划分为0.5m×0.5m的块体，主要坚硬岩层每15m划分一条节理，模型底边界垂直方向固定，左右边界水平方向固定。由于表土、含砂粘土、粉砂和粉砂粘土物理力学参数不容易选取，同时考虑到其只是作为基岩的上覆载荷，因此计算方案中模型上边界至最上部基岩位置，对表土等松散层视为均布荷载。

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

为了方便参数选取以及保证模拟结果的有效性，模型中主要对主采煤层、坚硬岩层、软弱岩层等力学参数进行赋值，见表1和表2。模型中材料本构模型选用Mohr-coulomb模型。

表1 块体力学参数

表2 接触面力学参数

2.2 非连续柱式置换开采的数值模拟方案

非连续柱式置换开采，如图1所示，本次数值计算采用以沿煤房方向做剖面的二维可视化模式，根据回采留设煤柱大小不同，设计两种方案：1m小煤柱（方案a）和2m小煤柱（方案b）。非连续柱式开采技术，工作面两侧保护煤柱20m，回采煤房宽5m，回采空间宽5.0m，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，在模型中反映为留接顶距离1m。在数值计算过程中，为了便于相关数据的采集，在模型中的主要关键岩层层位沿模型方向均布置了测线，每条测线200个测点，序号由大到小分别代表由最上部至最下部主要关键层的测线。

图1 非连续柱式置换开采示意图

3 数值计算结果分析

3.1 模型关键层位的垂直位移分析

在采用非连续柱式置换开采时，关键层位的垂直位移统计数据见表3。主要关键层位的下沉值并不均一，这意味着主要关键层位之间有一定的离层，主要是由于各个关键层的层厚、力学特征、物理特性等存在差异，导致接受应力变形的能力不统一。同时也可以看出，同一计算方案内关键层位的下沉值并无大的差异。表中30#测线为控制地表的关键层位，两种方案其最大下沉值分别为449.23mm和174.98mm。对比分析，方案a和方案b最大下沉值存在很大差异，单从下沉量来考虑，方案b的2m煤柱方案较优。

表3 模型关键层位位移量统计

3.2 模型关键层位水平位移分析

在采用非连续柱式置换开采时，回采空间间隔分别为1m和2m两种计算方案的关键层位的垂直位移，统计值见表3。两种方案的关键层位的水平位移差别明显，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小煤柱方案明显优于1m方案，说明在充填体的水平约束作用下，对两种方案煤柱的稳定性提高的程度是存在较大差异的。

3.3 模型中间监测点垂直位移分析

如图2（a，b）所示，分别为1m和2m间隔方案模型最上部关键层位中央监测点的垂直位移。

图2（a）曲线反映1m间隔煤柱模型地表快速下沉至稳定，这说明充填体在初期对1m小煤柱水平约束提高其承载能力的作用有限，导致其快速失稳至充填矸石快速接顶达到稳定，而图2（b）曲线反映充填矸石在初期对2m小煤柱水平约束提高其承载能力的作用效果显著，在保持一定强度的条件下充填矸石相对缓慢接顶至稳定。尽管两种方案存在差异，但是都说明充填矸石在接顶前后对煤柱+充填体+承重岩层体系快速稳定起到显著效果。

图2 模型中央监测点垂直位移

如图3（a，b）分别为1m和2m间隔方案模型最上部关键层位中央监测点的垂直位移速度，从图中可以直观看到前者与后者在下沉速度方面存在数量级的差别，前者显著大于后者。图3（a）曲线反映1m间隔煤柱模型地表快速持续时间短至稳定，这再次说明充填体在初期对1m小煤柱水平约束提高其承载能力的作用有限，导致其快速失稳至充填矸石快速接顶达到稳定，而3（b）曲线反映充填矸石在初期对2m小煤柱水平约束提高其承载能力的作用效果显著，地表下沉速度相对较慢持续时间较长至稳定，即在保持一定强度的条件下充填矸石相对缓慢接顶至稳定。尽管两种方案存在差异，但是都说明充填矸石在接顶前后对煤柱+充填体+承重岩层体系快速稳定起到显著效果。

图3 模型中央监测点垂直位移速度

4 效果分析与结论

根据地表下沉≥10mm作为采动影响范围的标准，结合建模的几何参数，两类方案的主要采动影响半径均为150m。本文基于影响半径范围内的最大下沉值、最大倾斜、最大水平位移、最大水平变形和最大曲率5个角度对两个方案的模拟效果进行分析，见表4。依据我国《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设及压煤开采规程》中对矿区内砖混结构建筑物损坏等级的划分[7]，两种方案中的三个关键技术指标最大水平变形、最大水平位移和最大倾斜均满足《规程》中规定的Ⅰ级规定要求，即关键技术指标均在水平变形ε≤2.0mm/m，曲率K≤0.2×10/m，倾斜i≤3.0mm/m要求范围内。而两个方案进行对比分析，可以看出，方案a地表移动指标值明显高于方案b，方案a中最大倾斜值已经达到《规程》中Ⅰ级规定上限，因此，方案b是最优的开采方案。

表4 地表移动变形主要技术参数统计