董飞
（山西潞安环保能源开发股份有限公司 常村煤矿，山西 长治 046000）
随着煤炭开采强度的持续增长，部分煤矿开始进入深地开采阶段，“三下”煤层开采逐渐引起人们的重视。为了能够充分确保地表构筑物不受到破坏，实现煤炭资源的安全高效回采，降低岩层移动，诸多学者展开了广泛深入的研究。邓宁[1]对“三下”采煤方法与发展过程进行了细致研究，并阐明了矸石充填、注浆减沉等在内的诸多关键技术，对特殊开采方法展开系统介绍。宋高峰[2]等对充填工艺的优劣表现进行对比研究，对充填设备、材料等诸多方面的内容展开系统分析。黄艳利[3]提出利用固体废物充填采空区的方法，合理控制上覆岩层移动，丰富了充填开采的理论技术内容。杨宗震基于淮南煤矿基本情况，建立具体的数学计算模型，并形成了安全煤柱的科学留设原则。张冬冬借助室内试验研究，展开充填材料配比研究，并完成工业性试验，对建筑物可起到有效的保护作用。然而，长时间以来，村庄保护煤柱合理留设与顶板精准预裂的相关研究存在一定空白，借助UDEC 进行模拟研究，对村庄保护煤柱尺寸的优化设计以及地表建筑的保护具有重要意义。
常村煤矿2107 综放工作面主采的3 号煤层，煤层平均厚度5.92 m，煤层结构简单，直接顶为泥岩，厚度3.0 m，基本顶为中粒砂岩，厚度6.6 m，直接底为泥岩，厚度1.2 m，老底为细粒砂岩，厚度1.5 m。2107 综放工作面采用单一走向长壁后退式综合机械化低位放顶煤开采的采煤方法，设计采高为3.2 m，平均放煤高度2.72 m，机采回收率98%，放煤回收率87%，工作面布置如图1 所示。有效保护地表建筑物，并且少留煤柱。本节采用离散元软件UDEC6.0 进行数值模拟计算，分析切顶卸压后不同保护煤柱宽度对地表移动的影响作用，数值模型如图2 所示，各岩层物理力学参数见表1。
表1 UDEC 模型中块体的力学参数Table 1 Mechanical parameters of blocks in UDEC model
图1 2107 工作面平面布置Fig.1 Layout of No.2107 Face
图2 UDEC 数值模型Fig.2 Numerical model of UDEC
模拟2107 综放工作面回采至村庄边界保护煤柱的位置200 m，超过设计煤柱边界10、20、30、40、50 m，监测地表的下沉规律和影响范围。进一步模拟分析切顶后，几种开采方案对应的地表下沉规律，揭示出切顶卸压对地表村庄保护煤柱的影响关系。
2.1 建立数值模型
常村煤矿停采线保护煤柱常规的留设宽度是200～700 m，浪费大量的煤炭资源。采用合适的切顶卸压措施能够改变岩层的移动路径和岩层结构，
2.2 末采停采线位置对地表变形影响规律
建立数值模型时，在地表设置测线每隔2 m 记录1 个测点位移，模拟开挖完成后，提取地表沉陷变形信息，并对提取开挖结果进行分析。在保护煤柱边界位置未采取切顶措施时，留设不同宽度保护煤柱时的岩层移动云图和地表下沉曲线，如图3 所示。
图3 未切顶处理时不同宽度保护煤柱地表下沉量曲线Fig.3 Surface subsidence curve of different width protective coal pillars without roof cutting treatment
由图3 可知，采动影响下的工作面地表呈现连续的下沉盆地，而且随着开采工作面的不断推进，煤层顶板覆岩逐渐垮落压实，地表下沉曲线影响范围不断扩大，地表下沉值不断增加，最大下沉点值点也随着下沉盆地的前移而前移。对于不同宽度的村庄保护煤柱，采空区岩层移动引起的地表下沉量相差不大，采高为6 m 的条件下，村庄保护煤柱宽度200、190、180、170、160、150 m，对应的最大地表下沉量分别为4.39、4.39、3.98、4.02、4.18和4.62 m。
以常村矿现有的200 m 宽村庄保护煤柱为例，200 m 煤柱边界对应的地表下沉量为1.09 m，随着远离边界地表下沉量逐渐减小，到120 m 位置时，地表下沉量减小为0.04 m（40 mm），因此，确定采动对地表的超前影响范围大约为80 m。
2.3 末采停采线位置顶板压裂对地表变形影响规律
为研究在村庄保护煤柱边界进行切顶是否可以改变岩层的移动角，进而改变地表的移动范围，在不同村庄保护煤柱边界进行切顶处理。在UDEC 数值模型中，人为的制造节理面，来模拟人工干预的切顶裂缝。计算得到不同村庄保护煤柱宽度采取切顶措施后的岩层移动特征和地表下沉曲线，如图4所示。
图4 切顶后不同宽度保护煤柱地表下沉量曲线Fig.4 Surface subsidence curve of different width protective coal pillars after roof cutting
由图4 可知，切顶后的顶板岩层沿切顶线垮落，地表仍然是呈现连续的下沉盆地，随着工作面的推进，上覆岩层垮落更加充分。计算得到，采高为6 m 条件下，在边界煤柱位置切顶后，村庄保护煤柱宽度200、190、180、170、160、150 m 对应的最大地表下沉量分别为4.13、4.43、4.67、5.00、5.24、5.61 m。但相比不切顶的地表下沉量，切顶后采空区中部的下沉量有所增大。
以常村矿现有的200 m 宽村庄保护煤柱为例，切顶后200 m 煤柱边界对应的地表下沉量为0.88 m，随着远离边界地表下沉量逐渐减小，到140 m位置时，地表下沉量减小为0.04 m（40 mm），因此，确定采动对地表的超前影响范围大约60 m。
2.4 切顶对地表下沉量控制效果分析
根据数值模拟计算的结果，详细对比分析切顶前后对地表下沉量的影响。图5 和图6 给出了200 m 和180 m 宽村庄保护煤柱切顶前后的地表下沉量对比结果。
图5 200 m 村庄保护煤柱切顶前后对比Fig.5 Comparison of 200 m village protection coal pillar before and after roof cutting
图6 180 m 村庄保护煤柱切顶对比Fig.6 Comparison of 180 m village protection coal pillar before and after roof cutting
由图5 可知，200 m 的村庄保护煤柱在边界位置切顶后，剧烈影响范围从80 m 减小到60 m，在边界位置的地表下沉量由1.09 m 减小到0.88 m，在140m 位置的地表下沉量由0.08 m（80 mm），减小到不切顶时120 m 位置的0.04 m（40 mm）。
由图6 可知，180 m 的村庄保护煤柱在不切顶时，剧烈影响范围的起始位置在100 m，地表下沉量为0.048 m（48 mm），煤柱边界180 m 位置的地表下沉量为1.08 m。切顶后剧烈影响范围同样减小到60 m，起止范围为120～180 m，120 m 位置的地表下沉量为0.044 m（44 mm），煤柱边界180 m位置的地表下沉量为0.093 m。
综上分析，当村庄保护煤柱宽度降低20 m，即由200 m 减小到180 m 时，采取切顶卸压措施后，在120 m 的位置地表下沉量为0.044 m，与不切顶时200 m 煤柱宽度在120 m 位置的地表下沉量0.040 m 相近。因此，在村庄保护煤柱边界位置采取切顶卸压措施，可以精准的控制岩层移动角度，减小采动对地表的超前影响范围，减小煤柱宽度20 m，可以有效控制地表村庄的建筑物。
（1） 数值模拟分析表明，常村矿2107 综放面现有的200 m 煤柱边界对应的地表下沉量为1.09 m，随着远离边界地表下沉量逐渐减小，到120 m位置时，地表下沉量减小为0.04 m（40 mm），因此，确定采动对地表的超前影响范围大约80 m。
（2） 在村庄保护煤柱边界采用切顶卸压措施后，200 m 的村庄保护煤柱超前剧烈影响范围从80 m 减小到60 m，在边界位置的地表下沉量由1.09 m 减小到0.88 m，在140 m 位置的地表下沉量由0.08 m（80 mm） 减小到不切顶时120m 位置的0.04 m（40 mm）。切顶技术控制地表下沉具有明显的效果。
（3） 当村庄保护煤柱宽度降低20 m，即由200 m 减小到180 m 时，采取切顶卸压措施后，在120 m 的位置地表下沉量为0.044 m，与不切顶时200 m 煤柱宽度在120 m 位置的地表下沉量0.040 m 相近。
（4） 在村庄保护煤柱边界位置采取切顶卸压措施，可以精准控制岩层移动角度，减小采动对地表的超前影响范围，减小村庄保护煤柱宽度20 m，仍然可以有效的控制地表村庄的建筑物。
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