边界煤柱工作面开采尺寸的模拟优化研究

周一君

（晋能控股煤业集团晋中公司，山西 晋中 030600）

新大地煤业目前可利用的可采储量越来越少，对边界煤柱进行优化开采已经迫在眉睫。一般来说，村庄保护煤柱的尺寸留设越大，对村庄建筑物保护的效果就越明显，但是较大的煤柱尺寸留设势必会造成大量的资源浪费。因此，在确保村庄建筑物安全的基础上尽可能小的留设煤柱，不仅可以增加开采的煤炭资源，避免资源的浪费，而且对于新大地煤业生存发展和稳定具有重要的现实意义。

1 工程概况

晋能控股煤业集团晋中公司新大地煤业2390煤柱工作面位于二水平东采区，2390 煤柱工作面周边为采空区，地面沉陷已经稳定。2390 煤柱工作面开采煤层为9 煤，煤层厚度在0.4～14.09 m，煤层倾角平均为11°，平均厚度为7.0l m，采用综采放顶煤开采方式。2390 煤柱区域内标高-405～-293 m，对应地面标高+25.1～+26.3 m。2390 煤柱工作面综放开采引起的地表移动和变形影响范围内的建（构）筑物主要有：位于2390 煤柱工作面对应的地面东南方向的茅草营村庄，茅草营村庄位于新大地煤业东南部。

2 新大地煤业2390 煤柱开采方案

2.1 地表建筑物保护煤柱留设

地下开采要充分考虑地表建筑物的位置。当工作面推进接近村庄边界时，要充分考虑预留煤柱的宽度，合理留设煤柱，从而避免采动影响对地面建筑物的破坏，以保障居住安全。

根据计算得出新大地煤业保护煤柱的各个参数，通过垂直剖面法设计村庄保护煤柱，从而得出开采2390 煤柱所需要的尺寸约为296 m。为了方便计算，按300 m 计算。根据保护煤柱尺寸的大小以及2390 煤柱的尺寸，合理布置工作面的长度，可以有效地避免开采对村庄造成的影响。根据计算结果和边界煤柱分布情况，将2390 煤柱工作面倾向长度设定为100 m[1-3]。

2.2 2390 煤柱开采数值模拟分析

2.2.1 数值模拟模型的建立

UDEC 作为一种研究完整块体和节理裂隙面构成的非联系结构体，其中对块体集合的位移及变形模拟更多地使用以拉格朗日计算方式的典型结构体，因此对于不连续的二维离散元，通常采用UDEC 数值模拟软件进行数值分析处理。

新大地煤业2390 煤柱工作面开采主要对距离村庄较近的茅草营村庄西北角区域产生破坏作业，在沿距离村庄最近位置设置剖面，建立UDEC 二维模型，结合新大地煤业2390 煤柱区域内的地质条件，沿煤层倾向建立模型长×宽为660 m×400 m。左边界煤柱留设为200 m，沿倾向剖面的模型一次开挖的长度与工作面等长为100 m，消除模型边界效应。

2.2.2 数值模拟结果及分析

本次模拟在地表设置测线，测线上设置测点，地表下沉的测线设置的测点为66 个，监测点间距为10 m。在数值模型上边界设置观测线来监测地下工作面的开挖对地表变形的影响。在距离煤层顶板360 m 处布置一条观测线，通过监测得到工作面长100 m 时的地表垂直位移曲线图，监测点距离模型左边界的距离设为横轴L/m，下沉值为纵轴，根据模拟计算的下沉曲线图，绘制出了地表变形的倾斜曲线图、曲率曲线图、水平变形曲线图如图1。

（1）由图1（a）下沉曲线可知，地表随上覆岩层移动逐渐下沉，主工作面正上方为最大下沉值901 mm，距离工作面300 m 的村边界位置为最小下沉值26 mm。

（2）由图1（b）倾斜曲线图可知，最大正倾斜值为6.72 mm/m，最小负倾斜值为-7.48 mm/m，村庄西北角监测点倾斜值为-0.450 mm/m，村庄内倾斜值均小于3 mm/m 以下，倾斜变形情况在允许范围内。

（3）由图1（c）曲率曲线图可知，最大曲率值为0.115 mm/m2，最小曲率值为-0.184 mm/m2，村庄西北角曲率值为0.018 mm/m2，村庄内曲率值均小于0.2 mm/m2，曲率变形情况在允许的范围内。

（4）由图1（d）水平变形曲线图可知，最大正水平变形值为7.15 mm/m，最小负水平变形值为-11.96 mm/m，村庄西北角倾斜值为1.18 mm/m，村庄内其余区域倾斜值均较小，因此水平变形引起的村庄变形在允许的范围之内。

图1 工作面倾向长100 m 时地表曲线图

通过以上分析可知，新大地煤业2390 煤柱开采预留煤柱对村庄产生的倾斜变形、曲率、水平变形均在建筑物破坏等级Ⅰ范围之内，所以采用垂直剖面法设计的煤柱尺寸可以保证煤柱的开采对村庄建筑物不造成破坏。

2.3 2390 煤柱工作面尺寸优化

在保证村庄建筑物安全性的基础上，为充分提高采出率，对工作面倾向长度进行优化。工作面倾向长度最大设置为140 m，利用UDEC 软件模拟当工作面长度分别为110 m、120 m、130 m、140 m 时，对留设煤柱的安全性进行预计。不同倾向长度开采时地表下沉曲线图、倾斜曲线图、曲率曲线图、水平变形曲线图如图2 所示，在村庄西北角的倾斜、曲率、最大水平变形值见表1～表3。

（1）根据图2（a）所示，当工作面倾向长度为110～140 m 时，地表最大下沉值从1300 mm 增加到2400 mm，位于600 m 处村庄西北角下沉量也从28 mm 增加到37 mm。

（2）根据图2（b）及表1 分析可知，工作面倾向长110～140 m 开采时对村庄西北角产生的最大倾斜变形的范围在-0.47～-0.66 mm/m，倾斜变形随着工作面尺寸的增加而增大，其变形值均小于3 mm/m，村庄变形均在Ⅰ级变形范围之内。

表1 不同倾斜长度开采时最大倾斜变形值（imax）

（3）根据图2（c）及表2 分析可知，工作面倾向长110～140 m 开采时对村庄西北角产生的最大曲率变形的范围在0.029～0.041 mm/m2，曲率变形随着工作面尺寸的增加而增大，其变形均小于0.2 mm/m，村庄曲率变形均在Ⅰ级变形范围之内。

表2 不同倾斜长度开采时最大曲率变形值（Kmax）

（4）根据图2（d）及表3 分析可知，工作面倾向长110～140 m 开采时对村庄西北角产生的最大水平变形的范围在1.90～2.56 mm/m，工作面倾向长110～140 m 范围内村庄水平变形均在Ⅱ级变形范围之内。

图2 不同倾向长度开采地表曲线图

综合图2 以及表1～表4 可知，工作面倾向长度在110～140 m 范围内进行开采引起的村庄倾斜变形、曲率变形均在Ⅰ级变形范围内，但是随工作面尺寸增加，村庄最大水平变形超出允许范围。根据UDEC 监测数值以及图2（d）数值分析可知，村庄范围内的水平变形的监测点在600～650 m 范围内，变形值见表4。

表4 不同工作面倾向尺寸下村庄最大水平变形值情况

当工作面倾向长度为110 m、120 m、130 m，预留煤柱的长度大于300 m 时，村庄建筑物在允许变形值范围内。当工作面倾向长度为140 m，预留煤柱尺寸大于310 m 时，村庄建筑物在允许变形值范围内。综合考虑2390 煤柱工作面开切眼的实际情况，确定2390 煤柱工作面倾向长度为130 m 合适。

3 结论

利用UDEC 模拟软件对2390 煤柱开采引起的地表沉陷进行模拟，得到了村庄距离开采边界最近位置西北角水平变形值1.18 mm/m，倾斜变形值-0.45 mm/m，曲率变形值0.014 mm/m2，其变形值均在允许范围之内。考虑到开切眼及停采线附近距离村庄边界较远，为了充分采出边界煤柱，提高采出率，将工作面倾向长度分别布置为110 m、120 m、130 m、140 m，利用UDEC 软件进行模拟分析，确定距离村庄西北角最小的安全煤柱的宽度为300～310 m，从而可对工作面尺寸进一步优化，最终确定工作面沿走向分段倾斜长度为130 m。优化工作面尺寸可以充分地采出边界煤柱，提高矿井的经济效益。