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摘 要：文章主要采用UDEC对采场围岩进行模拟。利用薄煤层回采工作面相应的一些规律，进行全面的了解和认识，从各个方面更好的了解薄煤层回采工作。通过对围岩和煤体之间的假设关系进行模拟，对于不同开采条件下的围岩活动进行研究。
关键词：回采工作面；薄煤层；采场围岩
中图分类号：TD32 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2013）14-0010-02
近几年，煤炭绿色开采技术日益受到煤炭工作者的重视。中国矿业大学钱鸣高院士率先提出了煤炭资源绿色开采的理念，其创立的岩层控制中的关键层理论为实施绿色开采技术奠定了理论基础。煤炭绿色开采的目标是获得最佳的经济效益、环境效益和社会效益，煤炭绿色开采就是实现煤炭开采污染少、破坏度小，是对煤矿周边环境的一种有效的保障。主要应用在水资源保护、土地和建筑物保护以及瓦斯抽放等方面，运用相应的开采技术进行开采，为实现绿色开采的基本前提。而针对这些需要解决的问题在对煤岩界面的识别问题提出了进一步的挑战和要求。
影响煤矿开采的原因有很多种，其中最基本的是地质构造、煤层倾角以及煤层顶底板的条件等。其一，地质构造主要就是断层问题。断层面在煤矿开采中极大程度上影响了煤矿的推进速度，并且在一般面对断层落差大的情况下还需要重新开切眼，不利于煤矿工作高效进行。其二，煤矿倾角主要是对采煤工作外部设备以及煤矿工人操作带来不便的影响。同时煤矿的坚硬度也是造成煤矿开采速度降低的一个方面。其三，煤层顶底板的条件就直接关系到煤矿工作的安全问题，它的稳定性直接影响了煤矿开采的进度，有利于煤矿开采工作的顺利进行。
1 采场围岩压力数值模拟
对采场围岩压力数值的模拟，要根据它的基本特征进行开展，在采场围岩中存在着高应力组成的应力壳，应力壳主要的作用体现在以下几个方面：
①工作面上覆岩体最主要的力链体系，主要是减轻采场的压力，并对采场的压力起到一定程度上的承担和传递作用。
②应力壳的形成和变化特征主要是由开采的范围、厚度等一些相关参数决定的。
现如今，国内外学者对煤岩系中，一些相关的特殊的体系十分的重视，如：煤岩的顶、底板的生成以及赋予环境与其它岩石相比所具有的特殊性。同时在模拟数值中，对采动应力的研究，综合的运用了覆盖结构以及动态的演化过程。学者根据一些相关的涉及到的因素进行，研究探索，具体体现在对煤层厚度、强度以及开采深度的等各种因素进行分析，从而更准确的了解和认识采动应力的大小和分布情况。
计算所选用的计算机内存为128 MB，主要采取的方式是以四边形为单位进行划分，底部采用X方向、Y方向固定，然后分别向左右两边界位移加以约束，同时上边界采用荷载边界条件。
1.1 力学参数的选取
①煤岩体力学参数的选取。主要是根据库仑—摩尔准则进行定位，初步确定材料的参数如表1所示。
②节理和角点圆弧化。在岩石的节理是主要是由面与面的接触点形成的，一般岩石的接触面都是很平坦比较粗糙，所以通常在接触的时候主要是两个点直接的接触，以这两个接触的点为代表来表示两个点在相互的运动下会产生相应的法向位移以及切向位移。而岩石块体除了有两个面之间的接触外还有点与点接触，而在点与点的接触时会因为力量的突然集中，在力的作用下引起直面摩擦，久而久之就会造成点尖叫被削平钝化，所以在这种计算中一般会对角点加以圆弧化的处理。
③刚度系数。对刚度系数的选择主要是根据UDEC中节理的法向和切向刚度系数的分析，找准合适的、准确的选择系数。避免因为系数选取过大，使刚体块成为一个整体无相对运动，而系数选取过小又会造成刚体块的散化，没有起到一定的约束作用。所以在选择上一定要有根据用科学的、可以有效的控制对刚度系数正确的选取，并且对刚体系数的选取上一定是在合理的范围内的，否则计算就会出现严重偏差，造成选取的失败，而且钢度系数的选择也是要根据不同的岩石来判断的，要根据实际的情况具体的分析，这样才能找准方向，找出合适有效的系数。
1.2 采场围岩活动数值模拟
模拟煤层厚度为0.8 m开采厚度0.95 m，模拟控顶距为3 m。模拟从模型左侧开始开采至42 m的位置，在模拟开采时，对煤层、顶板的不同位置进行了位移和应力的变化历史曲线的记录。
对围岩的主应力分布、水平应力分布、垂直应力分布、位移矢量进行了研究。
如图1、图2所示分别为水平应力、垂直应力等值线图。从图中可以看出，在工作面前方0～6 m、上方3 m附近为水平应力集中区，在工作上方10 m层位、工作面前后6 m范围为另一水平应力集中区。
2 支架设计
工作面采用ZY3300/07/13型支撑掩护式液压支架，如图3所示。
顶板施加于液压支架的载荷通过支架的顶梁来传递，顶梁与顶板的接触状态，直接影响到支架的受力载荷方式。
当支架顶梁与顶板接触较好时，支架就会受到连续性的载荷作用，如图4所示，q可以是均布载荷，也可以是梯形分布载荷，还可以是一种函数形式的载荷。
由于工作面的地质条件复杂多变，也就造成了支架在工作过程中的承载状态的复杂性和不确定性，对于支架影响较大的外载荷状态主要有对称和非对称集中载荷两种。
由于工作面顶板的起伏不平，且支架顶梁有浮矸存在时，常造成支架顶梁与顶板之间单点接触或单线接触，使得支架受载状态恶劣。
3 结 论
①采场围岩中的应力壳作为覆岩内的主要力链体现，主要起到的是一个承载和减轻压力的作用，对工作面周围的煤岩的受力度以及承载能力起到一定的调节作用。
②采场围岩中的应力壳的大小、分布以及力学特征，都是由很多的因素决定的，主要体现在以下几个方面：
岩性越强，应力壳的高度越低，同时分布形态也发生改变，由拱形壳向扁平壳转变。
应力壳体内应力的增大会逐步与工作面围岩产生冲突，从而造成冲击性失稳动力灾害的力学本质。
根据岩体的宏观力学属性，分别对不同围岩所承载的不同压力进行具体的分析，在软岩工作面中，压力主要是有应力壳承担，中硬岩工作面中，则由应力壳以及基本顶承载岩层共同承担，在硬岩工作面，围岩应力壳与基本顶承载岩层重合在一起。
岩性变化对应力壳作用下采场围岩破坏场和位移场也有显著影响。随岩性增强，工作面围岩破坏场范围和强度均减小，破坏形式由复合破坏向单一破坏形式转变；随岩性增强，工作面围岩的垂直位移减小，软岩垂直位移远大于硬岩和中硬岩。
参考文献：
[1] 谢广祥.综放工作面及其围岩宏观应力壳力学特征[J].煤炭学报，2005，（3）：309-313.
[2] 谢广祥，王磊.采场围岩应力壳力学特征的工作面长度效应[J].煤炭学报，2008，（12）：1136-1340.
[3] 朱宝存，唐书恒，张佳赞.煤岩与顶底板岩石力学性质及对煤储层压裂的影响[J].煤炭学报，2009，（6）：756-760.
[4] 孟召平，彭苏萍，傅继彤.含煤岩系岩石力学性质控制因素探讨[J].岩石力学与工程学报，2002，（1）：102-106.
关键词：回采工作面；薄煤层；采场围岩
中图分类号：TD32 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2013）14-0010-02
近几年，煤炭绿色开采技术日益受到煤炭工作者的重视。中国矿业大学钱鸣高院士率先提出了煤炭资源绿色开采的理念，其创立的岩层控制中的关键层理论为实施绿色开采技术奠定了理论基础。煤炭绿色开采的目标是获得最佳的经济效益、环境效益和社会效益，煤炭绿色开采就是实现煤炭开采污染少、破坏度小，是对煤矿周边环境的一种有效的保障。主要应用在水资源保护、土地和建筑物保护以及瓦斯抽放等方面，运用相应的开采技术进行开采，为实现绿色开采的基本前提。而针对这些需要解决的问题在对煤岩界面的识别问题提出了进一步的挑战和要求。
影响煤矿开采的原因有很多种，其中最基本的是地质构造、煤层倾角以及煤层顶底板的条件等。其一，地质构造主要就是断层问题。断层面在煤矿开采中极大程度上影响了煤矿的推进速度，并且在一般面对断层落差大的情况下还需要重新开切眼，不利于煤矿工作高效进行。其二，煤矿倾角主要是对采煤工作外部设备以及煤矿工人操作带来不便的影响。同时煤矿的坚硬度也是造成煤矿开采速度降低的一个方面。其三，煤层顶底板的条件就直接关系到煤矿工作的安全问题，它的稳定性直接影响了煤矿开采的进度，有利于煤矿开采工作的顺利进行。
1 采场围岩压力数值模拟
对采场围岩压力数值的模拟，要根据它的基本特征进行开展，在采场围岩中存在着高应力组成的应力壳，应力壳主要的作用体现在以下几个方面：
①工作面上覆岩体最主要的力链体系，主要是减轻采场的压力，并对采场的压力起到一定程度上的承担和传递作用。
②应力壳的形成和变化特征主要是由开采的范围、厚度等一些相关参数决定的。
现如今，国内外学者对煤岩系中，一些相关的特殊的体系十分的重视，如：煤岩的顶、底板的生成以及赋予环境与其它岩石相比所具有的特殊性。同时在模拟数值中，对采动应力的研究，综合的运用了覆盖结构以及动态的演化过程。学者根据一些相关的涉及到的因素进行，研究探索，具体体现在对煤层厚度、强度以及开采深度的等各种因素进行分析，从而更准确的了解和认识采动应力的大小和分布情况。
计算所选用的计算机内存为128 MB，主要采取的方式是以四边形为单位进行划分，底部采用X方向、Y方向固定，然后分别向左右两边界位移加以约束，同时上边界采用荷载边界条件。
1.1 力学参数的选取
①煤岩体力学参数的选取。主要是根据库仑—摩尔准则进行定位，初步确定材料的参数如表1所示。
②节理和角点圆弧化。在岩石的节理是主要是由面与面的接触点形成的，一般岩石的接触面都是很平坦比较粗糙，所以通常在接触的时候主要是两个点直接的接触，以这两个接触的点为代表来表示两个点在相互的运动下会产生相应的法向位移以及切向位移。而岩石块体除了有两个面之间的接触外还有点与点接触，而在点与点的接触时会因为力量的突然集中，在力的作用下引起直面摩擦，久而久之就会造成点尖叫被削平钝化，所以在这种计算中一般会对角点加以圆弧化的处理。
③刚度系数。对刚度系数的选择主要是根据UDEC中节理的法向和切向刚度系数的分析，找准合适的、准确的选择系数。避免因为系数选取过大，使刚体块成为一个整体无相对运动，而系数选取过小又会造成刚体块的散化，没有起到一定的约束作用。所以在选择上一定要有根据用科学的、可以有效的控制对刚度系数正确的选取，并且对刚体系数的选取上一定是在合理的范围内的，否则计算就会出现严重偏差，造成选取的失败，而且钢度系数的选择也是要根据不同的岩石来判断的，要根据实际的情况具体的分析，这样才能找准方向，找出合适有效的系数。
1.2 采场围岩活动数值模拟
模拟煤层厚度为0.8 m开采厚度0.95 m，模拟控顶距为3 m。模拟从模型左侧开始开采至42 m的位置，在模拟开采时，对煤层、顶板的不同位置进行了位移和应力的变化历史曲线的记录。
对围岩的主应力分布、水平应力分布、垂直应力分布、位移矢量进行了研究。
如图1、图2所示分别为水平应力、垂直应力等值线图。从图中可以看出，在工作面前方0～6 m、上方3 m附近为水平应力集中区，在工作上方10 m层位、工作面前后6 m范围为另一水平应力集中区。
2 支架设计
工作面采用ZY3300/07/13型支撑掩护式液压支架，如图3所示。
顶板施加于液压支架的载荷通过支架的顶梁来传递，顶梁与顶板的接触状态，直接影响到支架的受力载荷方式。
当支架顶梁与顶板接触较好时，支架就会受到连续性的载荷作用，如图4所示，q可以是均布载荷，也可以是梯形分布载荷，还可以是一种函数形式的载荷。
由于工作面的地质条件复杂多变，也就造成了支架在工作过程中的承载状态的复杂性和不确定性，对于支架影响较大的外载荷状态主要有对称和非对称集中载荷两种。
由于工作面顶板的起伏不平，且支架顶梁有浮矸存在时，常造成支架顶梁与顶板之间单点接触或单线接触，使得支架受载状态恶劣。
3 结 论
①采场围岩中的应力壳作为覆岩内的主要力链体现，主要起到的是一个承载和减轻压力的作用，对工作面周围的煤岩的受力度以及承载能力起到一定的调节作用。
②采场围岩中的应力壳的大小、分布以及力学特征，都是由很多的因素决定的，主要体现在以下几个方面：
岩性越强，应力壳的高度越低，同时分布形态也发生改变，由拱形壳向扁平壳转变。
应力壳体内应力的增大会逐步与工作面围岩产生冲突，从而造成冲击性失稳动力灾害的力学本质。
根据岩体的宏观力学属性，分别对不同围岩所承载的不同压力进行具体的分析，在软岩工作面中，压力主要是有应力壳承担，中硬岩工作面中，则由应力壳以及基本顶承载岩层共同承担，在硬岩工作面，围岩应力壳与基本顶承载岩层重合在一起。
岩性变化对应力壳作用下采场围岩破坏场和位移场也有显著影响。随岩性增强，工作面围岩破坏场范围和强度均减小，破坏形式由复合破坏向单一破坏形式转变；随岩性增强，工作面围岩的垂直位移减小，软岩垂直位移远大于硬岩和中硬岩。
参考文献：
[1] 谢广祥.综放工作面及其围岩宏观应力壳力学特征[J].煤炭学报，2005，（3）：309-313.
[2] 谢广祥，王磊.采场围岩应力壳力学特征的工作面长度效应[J].煤炭学报，2008，（12）：1136-1340.
[3] 朱宝存，唐书恒，张佳赞.煤岩与顶底板岩石力学性质及对煤储层压裂的影响[J].煤炭学报，2009，（6）：756-760.
[4] 孟召平，彭苏萍，傅继彤.含煤岩系岩石力学性质控制因素探讨[J].岩石力学与工程学报，2002，（1）：102-106.