邊界煤柱工作面開采尺寸的模擬優(yōu)化研究

周一君

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)晉中公司，山西 晉中 030600）

新大地煤業(yè)目前可利用的可采儲(chǔ)量越來越少，對(duì)邊界煤柱進(jìn)行優(yōu)化開采已經(jīng)迫在眉睫。一般來說，村莊保護(hù)煤柱的尺寸留設(shè)越大，對(duì)村莊建筑物保護(hù)的效果就越明顯，但是較大的煤柱尺寸留設(shè)勢必會(huì)造成大量的資源浪費(fèi)。因此，在確保村莊建筑物安全的基礎(chǔ)上盡可能小的留設(shè)煤柱，不僅可以增加開采的煤炭資源，避免資源的浪費(fèi)，而且對(duì)于新大地煤業(yè)生存發(fā)展和穩(wěn)定具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 工程概況

晉能控股煤業(yè)集團(tuán)晉中公司新大地煤業(yè)2390煤柱工作面位于二水平東采區(qū)，2390 煤柱工作面周邊為采空區(qū)，地面沉陷已經(jīng)穩(wěn)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(qū)域內(nèi)標(biāo)高-405～-293 m，對(duì)應(yīng)地面標(biāo)高+25.1～+26.3 m。2390 煤柱工作面綜放開采引起的地表移動(dòng)和變形影響范圍內(nèi)的建（構(gòu)）筑物主要有：位于2390 煤柱工作面對(duì)應(yīng)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(yè)東南部。

2 新大地煤業(yè)2390 煤柱開采方案

2.1 地表建筑物保護(hù)煤柱留設(shè)

地下開采要充分考慮地表建筑物的位置。當(dāng)工作面推進(jìn)接近村莊邊界時(shí)，要充分考慮預(yù)留煤柱的寬度，合理留設(shè)煤柱，從而避免采動(dòng)影響對(duì)地面建筑物的破壞，以保障居住安全。

根據(jù)計(jì)算得出新大地煤業(yè)保護(hù)煤柱的各個(gè)參數(shù)，通過垂直剖面法設(shè)計(jì)村莊保護(hù)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(jì)算，按300 m 計(jì)算。根據(jù)保護(hù)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(duì)村莊造成的影響。根據(jù)計(jì)算結(jié)果和邊界煤柱分布情況，將2390 煤柱工作面傾向長度設(shè)定為100 m[1-3]。

2.2 2390 煤柱開采數(shù)值模擬分析

2.2.1 數(shù)值模擬模型的建立

UDEC 作為一種研究完整塊體和節(jié)理裂隙面構(gòu)成的非聯(lián)系結(jié)構(gòu)體，其中對(duì)塊體集合的位移及變形模擬更多地使用以拉格朗日計(jì)算方式的典型結(jié)構(gòu)體，因此對(duì)于不連續(xù)的二維離散元，通常采用UDEC 數(shù)值模擬軟件進(jìn)行數(shù)值分析處理。

新大地煤業(yè)2390 煤柱工作面開采主要對(duì)距離村莊較近的茅草營村莊西北角區(qū)域產(chǎn)生破壞作業(yè)，在沿距離村莊最近位置設(shè)置剖面，建立UDEC 二維模型，結(jié)合新大地煤業(yè)2390 煤柱區(qū)域內(nèi)的地質(zhì)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(shè)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(yīng)。

2.2.2 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

本次模擬在地表設(shè)置測線，測線上設(shè)置測點(diǎn)，地表下沉的測線設(shè)置的測點(diǎn)為66 個(gè)，監(jiān)測點(diǎn)間距為10 m。在數(shù)值模型上邊界設(shè)置觀測線來監(jiān)測地下工作面的開挖對(duì)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(jiān)測得到工作面長100 m 時(shí)的地表垂直位移曲線圖，監(jiān)測點(diǎn)距離模型左邊界的距離設(shè)為橫軸L/m，下沉值為縱軸，根據(jù)模擬計(jì)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(dòng)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(fù)傾斜值為-7.48 mm/m，村莊西北角監(jiān)測點(diǎn)傾斜值為-0.450 mm/m，村莊內(nèi)傾斜值均小于3 mm/m 以下，傾斜變形情況在允許范圍內(nèi)。

（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(nèi)曲率值均小于0.2 mm/m2，曲率變形情況在允許的范圍內(nèi)。

（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(fù)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(nèi)其余區(qū)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(nèi)。

圖1 工作面傾向長100 m 時(shí)地表曲線圖

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

2.3 2390 煤柱工作面尺寸優(yōu)化

在保證村莊建筑物安全性的基礎(chǔ)上，為充分提高采出率，對(duì)工作面傾向長度進(jìn)行優(yōu)化。工作面傾向長度最大設(shè)置為140 m，利用UDEC 軟件模擬當(dāng)工作面長度分別為110 m、120 m、130 m、140 m 時(shí)，對(duì)留設(shè)煤柱的安全性進(jìn)行預(yù)計(jì)。不同傾向長度開采時(shí)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(jù)圖2（a）所示，當(dāng)工作面傾向長度為110～140 m 時(shí)，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(jù)圖2（b）及表1 分析可知，工作面傾向長110～140 m 開采時(shí)對(duì)村莊西北角產(chǎn)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(jí)變形范圍之內(nèi)。

表1 不同傾斜長度開采時(shí)最大傾斜變形值（imax）

（3）根據(jù)圖2（c）及表2 分析可知，工作面傾向長110～140 m 開采時(shí)對(duì)村莊西北角產(chǎn)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(jí)變形范圍之內(nèi)。

表2 不同傾斜長度開采時(shí)最大曲率變形值（Kmax）

（4）根據(jù)圖2（d）及表3 分析可知，工作面傾向長110～140 m 開采時(shí)對(duì)村莊西北角產(chǎn)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(nèi)村莊水平變形均在Ⅱ級(jí)變形范圍之內(nèi)。

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(nèi)進(jìn)行開采引起的村莊傾斜變形、曲率變形均在Ⅰ級(jí)變形范圍內(nèi)，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(jù)UDEC 監(jiān)測數(shù)值以及圖2（d）數(shù)值分析可知，村莊范圍內(nèi)的水平變形的監(jiān)測點(diǎn)在600～650 m 范圍內(nèi)，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(dāng)工作面傾向長度為110 m、120 m、130 m，預(yù)留煤柱的長度大于300 m 時(shí)，村莊建筑物在允許變形值范圍內(nèi)。當(dāng)工作面傾向長度為140 m，預(yù)留煤柱尺寸大于310 m 時(shí)，村莊建筑物在允許變形值范圍內(nèi)。綜合考慮2390 煤柱工作面開切眼的實(shí)際情況，確定2390 煤柱工作面傾向長度為130 m 合適。

3 結(jié)論

利用UDEC 模擬軟件對(duì)2390 煤柱開采引起的地表沉陷進(jìn)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(nèi)?？紤]到開切眼及停采線附近距離村莊邊界較遠(yuǎn)，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(jìn)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(duì)工作面尺寸進(jìn)一步優(yōu)化，最終確定工作面沿走向分段傾斜長度為130 m。優(yōu)化工作面尺寸可以充分地采出邊界煤柱，提高礦井的經(jīng)濟(jì)效益。