摘要：關(guān)鍵層是地表變形與控制巖層移動(dòng)主要因素，本文引用了數(shù)值模擬結(jié)合壓力拱理論，針對(duì)關(guān)鍵層下部軟弱巖層厚度進(jìn)行數(shù)據(jù)模擬分析，結(jié)果表明：關(guān)鍵層下部軟弱巖層有穩(wěn)定關(guān)鍵層的作用。
　　關(guān)鍵字：關(guān)鍵層軟巖；壓力拱；數(shù)值模擬；
　　
　　
　　引言
　　條帶開采可以有效控制覆巖層和地表的沉陷,保護(hù)地面建筑物和生態(tài)環(huán)境,在我國煤礦被廣泛采用，是煤礦“綠色開采技術(shù)”體系中的重要內(nèi)容之一。眾多學(xué)者對(duì)條帶開采控制地表下沉,采留寬設(shè)計(jì)提出了相當(dāng)多的理論，為保證安全、促進(jìn)生產(chǎn)做出了貢獻(xiàn)。
　　1. 條帶設(shè)計(jì)理論
　　 關(guān)鍵層理論
　　關(guān)鍵層理論認(rèn)為，可把主關(guān)鍵層作為彈性巖梁。其上作用為均布載荷。把亞關(guān)鍵層也作為具有不同物理性質(zhì)的彈性巖梁，而把各層間的軟弱巖層及煤柱都作為具有不同物理性質(zhì)的彈塑性地基。關(guān)鍵層判別的主要依據(jù)是其變形和破斷特征，即在關(guān)鍵層破斷時(shí)，其上部全部巖層或局部巖層的下沉變形是相互協(xié)調(diào)一致的，前者為巖層活動(dòng)的主關(guān)鍵層，后者為亞關(guān)鍵層。關(guān)鍵層對(duì)控制巖層移動(dòng)和開采沉陷的深入研究提供了新的理論平臺(tái)。
　　          
　　                                             壓力拱理論
　　壓力拱理論認(rèn)為，由于采空區(qū)上方壓力拱的形成,上覆巖層的負(fù)載只有很少一部分(即開采層面與拱周邊之間構(gòu)成的巖層重量)作用到直接頂板上，其它部分的覆巖重量會(huì)向采面兩側(cè)的實(shí)體煤區(qū)(拱腳)轉(zhuǎn)移。最大壓力拱的形狀被認(rèn)為是橢圓形，其高度在采面上下方分別約為采面寬度的2倍。壓力拱的內(nèi)寬主要受上覆巖層厚度的影響,壓力拱的外寬則受覆巖內(nèi)部組合的影響(亦即與托板控制巖層的位置及幾何力學(xué)特性有關(guān)).如果采寬大于壓力拱的內(nèi)寬,則負(fù)載分布會(huì)變得很復(fù)雜,即一個(gè)拱腳在邊側(cè)實(shí)體煤上，另一個(gè)拱腳在采空區(qū)上，此時(shí)壓力拱不穩(wěn)定，有可能崩潰并伴隨大量的覆巖沉陷。即使對(duì)于采寬小于壓力拱內(nèi)寬的條件，其穩(wěn)定性也會(huì)隨時(shí)間而發(fā)生變化，因此拱腳煤柱一定要有足夠的強(qiáng)度。
　　2. 數(shù)值模擬
　　如文章前述，條帶設(shè)計(jì)的兩種理論都具有一定的合理行和可行性，本文希望通過數(shù)值模擬研究，能找到兩種理論的良好結(jié)合點(diǎn)，為結(jié)合使用兩種理論提供更方便的方法。Itasca公司商用軟件UDEC針對(duì)巖體不連續(xù)問題而開發(fā)，可模擬分析非連續(xù)介質(zhì)在靜、動(dòng)態(tài)荷載作用下的反應(yīng)、包括塊體間的完全脫離。本文運(yùn)用該軟件對(duì)煤層開采過程進(jìn)行模擬再現(xiàn)，力求解釋找到關(guān)鍵層和壓力拱之間的關(guān)系。
　　 計(jì)算模型
　　為減少其它影響，模型建立時(shí)盡量簡(jiǎn)化。模型長度方向?yàn)?50m，底板厚度30m，煤層2m，覆巖250m轉(zhuǎn)化為分布載荷q=γH（取γ=20kN/m3），關(guān)鍵層與煤層之間的軟弱巖層選取0~40m�？紤]到開采寬度為50m，關(guān)鍵層破斷距略小于50m，則關(guān)鍵層巖層破斷距l(xiāng)k根據(jù)下面的公式：
　　                      
　　hk—為關(guān)鍵層的厚度，m;σk—為關(guān)鍵層的抗拉強(qiáng)度，7.5Mpa；qk—為關(guān)鍵層承受的載荷，Mpa。計(jì)算可得關(guān)鍵層厚度為30m。其它巖層網(wǎng)格劃分采用一般方法，只是針對(duì)關(guān)鍵層劃分方式進(jìn)行了預(yù)模擬，根據(jù)計(jì)算關(guān)鍵層破斷距離略小于本文設(shè)計(jì)開采寬度，可知在沒有下部軟弱巖層時(shí)關(guān)鍵層垮落，根據(jù)此條件調(diào)整網(wǎng)格，直到關(guān)鍵層破斷后最大下沉量達(dá)到煤層厚度為止。
　　 計(jì)算結(jié)果及分析
　　下圖2、圖3、圖4、圖5、圖6為關(guān)鍵層下方軟巖厚度為0m、10m、20m、30m、40m時(shí)關(guān)鍵層變形情況：
　　                

                           
　　如圖2所示，采寬大于關(guān)鍵層最大懸露長度時(shí)，關(guān)鍵層破斷下沉，下沉量基本等于所采厚度，符合關(guān)鍵層理論。在沒有下部軟巖、采寬大于關(guān)鍵層最大懸露長度時(shí)，關(guān)鍵層很難起到控制巖層移動(dòng)和地表下沉的目的；根據(jù)壓力拱理論有，在關(guān)鍵層及下方巖石中并未形成壓力拱，對(duì)控制下沉較為不利。見表1:不同軟巖厚度時(shí)的關(guān)鍵層下沉量
　　                       
　　我們認(rèn)為，關(guān)鍵層理論以及壓力拱理論兩者是一個(gè)問題的兩個(gè)方面。在巖石這種非連續(xù)體中，當(dāng)開掘出空間后，原巖應(yīng)力的轉(zhuǎn)移變化是有一定規(guī)律的，壓力拱是這個(gè)規(guī)律的一種表述，關(guān)鍵層是這個(gè)規(guī)律中最為重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。正如上面六圖中所示，在未形成壓力拱的圖2中，下沉量最大，在可以形成壓力拱的圖3、圖4、圖5、圖6中，關(guān)鍵層下沉量均較小，并且形成的越早對(duì)控制下沉越有利，而關(guān)鍵層正是加快形成壓力拱的主要原因，見圖7。
　　                         
　　從圖7中還可以看出，在采寬略大于關(guān)鍵層破斷距的情況下，下部巖層厚度大于30m后，下沉量隨厚度減小趨于緩和，原因在于此時(shí)關(guān)鍵層在壓力拱的支撐下相對(duì)懸露長度已經(jīng)小于關(guān)鍵層的破斷距，關(guān)鍵層可以保持完整性，充分體現(xiàn)控制上覆巖層變形和地表下沉的目的。
　　3. 結(jié)論
　　1.關(guān)鍵層保持完整與穩(wěn)定，對(duì)控制巖層移動(dòng)和地表變形起到?jīng)Q定性作用。2.關(guān)鍵層下部巖層對(duì)關(guān)鍵層穩(wěn)定起作用，當(dāng)其厚度達(dá)到一定量時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)開采寬度等于或者略大于關(guān)鍵層破斷距，而保證關(guān)鍵層不破斷。
　　
　　
　　參考文獻(xiàn)
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