条带充填法单煤层煤柱群失稳主要影响因素数值模拟研究

摘要：结合托板理论、条带充填采煤、开采沉陷学和岩层控制理论，运用2D-σ数值模拟工具，对条带充填法煤柱稳定性影响因素进行了试验研究。重点研究了条带充填开采条件下的单煤层煤柱群稳定性问题，揭示了特定地质采矿条件下开采宽度、煤柱宽度和充填宽度对煤柱稳定性的影响规律。

关键词：条带充填法 煤柱群 托板理论 2D-σ

中图分类号：P618.11 文献标识码：A 文章编号：

我国生产矿井三下压煤量达140亿吨，大多集中分布于工业基础较好、开发条件较为优越、对煤炭需求较为迫切的经济发达地区。因此，研究和发展三下煤层的开采技术对合理开发和充分利用地下资源，延长濒临破产的煤炭企业的寿命，促进煤炭企业的可持续发展都具有重大意义。

条带充填法是一种绿色开采方法，在条带开采方法基础上，采用填充体通过在煤柱两侧进行充填加固，以其作为支撑，达到回收条带煤柱并控制开采引起的上覆岩层的破坏和变形的目的。

地表

托板

煤层

充填体煤柱

图1条带充填开采方法示意图

1.开采设计原则

判别覆岩托板位置估算覆岩托板等效垮距设计条带宽度、煤柱宽度和充填条带宽度设计充填强度验算充填条带稳定性预计条带充填开采的地表沉陷。

托板具有三维性，它还受到自身厚度以及另一方上(y方向)尺寸的影响。为此让托板在平面尺寸上相等，即L = S,可以得到托板的等效垮距：

2.2D-σ计算程序简介

本次计算采用的2D-σ程序是岩土工程的应用而开发的二维连续介质有限单元法计算程序。2D-σ是完全基于Windows平台开发的应用程序，共包括前处理器、分析器和后处理器。非常适用于分步开挖的采矿工程的数值模拟。

3.数值模型的建立

模型沿X方向布置了五个短壁条带充填工作面，从左向右依次布置工作面，开采后一个工作面时充填前一个工作面，最后完成五个工作面的局部充填，未充填的工作区域为采煤运输、通风、排水等工序用，模型左右边界在X方向各距离条带工作面边界100m，模型的范围为开挖空间最大直线尺寸5倍以上，边界约束对计算数值计算的影响小于5%，符合工程计算的误差要求。应用Druker-Prager 准则。

3.1边界条件的确定

左右端位移约束，下端固定约束，上部自由约束。

3.2不同充填体宽度对比分析

图2充填宽度与最大压应力和地表最大位移关系图

充填宽度与最大压应力关系曲线是下凸的减函数，充填宽度6m为特征点，当小于6m时最大压应力变化显著；当大于6m时最大压应力曲线接近水平，变化不显著，考虑充填成本可作为设计合理参数；充填宽度与地表最大位移关系曲线是下凸的减函数，充填宽度10m是特征点，当小于10m时地表最大位移曲线变化显著，当大于10m时地表最大位移曲线接近水平，变化不显著，考虑充填成本可以选取特征点作为设计合理参数。

3.3不同煤柱宽度对比分析

图3煤柱宽度与最大压应力关系图

煤柱宽度与最大压应力关系曲线是下凸的减函数，当小于14m时最大压应力变化显著；当大于10m时最大压应力曲线接近水平，变化不显著，考虑采出率要求可以选取特征点作为设计合理参数；煤柱宽度与地表最大位移关系曲线近似一条直线，且是呈单调递减的，变化的幅度基本是均匀的，考虑采出率可以选取特征点作为设计合理参数。

3.4不同开采宽度对比分析

图4 开采宽度与最大压应力地表最大位移关系图

开采宽度与最大压应力关系曲线是波动上升曲线，变化的幅度基本是不均匀的；开采宽度与地表最大位移关系曲线近似一条直线，且是呈单调递增的，变化的幅度基本是均匀的。

3.5合理充填宽度的确定

图5充填宽度最大应力值及最大位移和充填成本关系

充填成本与最大压应力的交点在（11m，12m）区间中，充填成本与地表最大位移的交点在（9m，10m）区间中；在煤柱宽度为6m，开采宽度为30m时，充填宽度的合理取值范围应在区间（9m，10m）上，此时的充填比为0.56～0.66。

图6 煤柱宽度最大应力值及最大位移和充填成本关系

充填成本与最大压应力的交点在（6m，7m）区间中，单位面积成本与地表最大位移的交点在（9m，10m）区间中，两曲线变化趋势具有一致性，都是减函数曲线，要想取得最优点需要考虑采出率要求和支采比影响。

图7开采宽度最大应力值及最大位移和充填成本关系

单位面积成本与最大压应力的交点在（25m，26m）区间中，单位面积成本与地表最大位移交点在（30m，31m）区间中，在煤柱宽度为10m，充填宽度为6m时，开采宽度的合理取值范围应在区间（25m，31m）中。

3.6灰色关联分析和支采比关系曲线

表2灰色关联矩阵

开采宽度是影响最大压应力变化的最大因素，其次是煤柱宽度，最后是充填宽度；充填宽度是影响地表最大位移变化的最大因素，其次是开采宽度，最后是煤柱宽度；开采宽度是影响最大压应力和地表最大位移变化整体最大因素，其次是充填宽度，最后是煤柱宽度。

图8支采比与最大压应力关系曲线

支采比就是支撑体宽度与开采宽度的比值。如图2.33所示，支采比为0.48时，支采比与最大压应力关系曲线出现峰值,当支采比在（0.48，0.6）区间内支采比与最大压应力关系曲线下降，支采比大于0.6，支采比与最大压应力关系曲线成线性递减变化，此特征点后模型处于相对稳定状态，托板保持稳定，并控制这模型的稳定，参数设计合理。

图9支采比与地表最大位移关系曲线

支采比为0.48时，支采比与地表最大位移关系曲线出现峰值，支采比大于0.628，支采比与地表最大位移关系曲线成线性递减变化，此特征点后模型处于相对稳定状态，托板保持稳定，并控制这模型的稳定和地表位移，参数设计合理。

4结论

对模拟结果分析，得出如下结论：

1、开采宽度是影响煤柱群稳定性的最大因素，其次是充填宽度，最后是煤柱宽度。

2、根据数值模拟结果得出，合理开采参数：开采宽度为托板等效垮距，充填宽度为塑性区宽度8～10倍，煤柱宽度为核区宽度2～3倍，采出率为58～73％。

3、峰峰矿区采用煤柱完全对齐方式布置合理，如果对该矿应用条带充填法可以提高10%-20%采出率。

4、采用正交试验，得出普适的分析方法：判别覆岩托板位置估算覆岩托板等效垮距设计条带宽度、煤柱宽度和充填条带宽度预计条带充填开采的煤柱稳定性和地表沉陷；开采宽度的设计间隔尽可能的小，分布在等效垮距值两侧；充填体宽度设计间隔为一个塑性区宽度，煤柱宽度设计间隔为1/2核区宽度。

参考文献

[1]吴立新,王金庄.煤柱屈服区宽度计算及其影响因素分析[J].煤炭学报，1995，20 (6)：(12)：625-631.

[2]吴立新，王金庄，刘延安等.建(构)筑物下压煤条带开采理论与实践.徐州：中国矿业大学出版社，1994