摘要：關鍵層是地表變形與控制巖層移動主要因素，本文引用了數值模擬結合壓力拱理論，針對關鍵層下部軟弱巖層厚度進行數據模擬分析，結果表明：關鍵層下部軟弱巖層有穩定關鍵層的作用。
　　關鍵字：關鍵層軟巖；壓力拱；數值模擬；
　　
　　
　　引言
　　條帶開采可以有效控制覆巖層和地表的沉陷,保護地面建筑物和生態環境,在我國煤礦被廣泛采用，是煤礦“綠色開采技術”體系中的重要內容之一。眾多學者對條帶開采控制地表下沉,采留寬設計提出了相當多的理論，為保證安全、促進生產做出了貢獻。
　　1. 條帶設計理論
　　 關鍵層理論
　　關鍵層理論認為，可把主關鍵層作為彈性巖梁。其上作用為均布載荷。把亞關鍵層也作為具有不同物理性質的彈性巖梁，而把各層間的軟弱巖層及煤柱都作為具有不同物理性質的彈塑性地基。關鍵層判別的主要依據是其變形和破斷特征，即在關鍵層破斷時，其上部全部巖層或局部巖層的下沉變形是相互協調一致的，前者為巖層活動的主關鍵層，后者為亞關鍵層。關鍵層對控制巖層移動和開采沉陷的深入研究提供了新的理論平臺。
　　          
　　                                             壓力拱理論
　　壓力拱理論認為，由于采空區上方壓力拱的形成,上覆巖層的負載只有很少一部分(即開采層面與拱周邊之間構成的巖層重量)作用到直接頂板上，其它部分的覆巖重量會向采面兩側的實體煤區(拱腳)轉移。最大壓力拱的形狀被認為是橢圓形，其高度在采面上下方分別約為采面寬度的2倍。壓力拱的內寬主要受上覆巖層厚度的影響,壓力拱的外寬則受覆巖內部組合的影響(亦即與托板控制巖層的位置及幾何力學特性有關).如果采寬大于壓力拱的內寬,則負載分布會變得很復雜,即一個拱腳在邊側實體煤上，另一個拱腳在采空區上，此時壓力拱不穩定，有可能崩潰并伴隨大量的覆巖沉陷。即使對于采寬小于壓力拱內寬的條件，其穩定性也會隨時間而發生變化，因此拱腳煤柱一定要有足夠的強度。
　　2. 數值模擬
　　如文章前述，條帶設計的兩種理論都具有一定的合理行和可行性，本文希望通過數值模擬研究，能找到兩種理論的良好結合點，為結合使用兩種理論提供更方便的方法。Itasca公司商用軟件UDEC針對巖體不連續問題而開發，可模擬分析非連續介質在靜、動態荷載作用下的反應、包括塊體間的完全脫離。本文運用該軟件對煤層開采過程進行模擬再現，力求解釋找到關鍵層和壓力拱之間的關系。
　　 計算模型
　　為減少其它影響，模型建立時盡量簡化。模型長度方向為650m，底板厚度30m，煤層2m，覆巖250m轉化為分布載荷q=γH（取γ=20kN/m3），關鍵層與煤層之間的軟弱巖層選取0~40m�？紤]到開采寬度為50m，關鍵層破斷距略小于50m，則關鍵層巖層破斷距lk根據下面的公式：
　　                      
　　hk—為關鍵層的厚度，m;σk—為關鍵層的抗拉強度，7.5Mpa；qk—為關鍵層承受的載荷，Mpa。計算可得關鍵層厚度為30m。其它巖層網格劃分采用一般方法，只是針對關鍵層劃分方式進行了預模擬，根據計算關鍵層破斷距離略小于本文設計開采寬度，可知在沒有下部軟弱巖層時關鍵層垮落，根據此條件調整網格，直到關鍵層破斷后最大下沉量達到煤層厚度為止。
　　 計算結果及分析
　　下圖2、圖3、圖4、圖5、圖6為關鍵層下方軟巖厚度為0m、10m、20m、30m、40m時關鍵層變形情況：
　　                

                           
　　如圖2所示，采寬大于關鍵層最大懸露長度時，關鍵層破斷下沉，下沉量基本等于所采厚度，符合關鍵層理論。在沒有下部軟巖、采寬大于關鍵層最大懸露長度時，關鍵層很難起到控制巖層移動和地表下沉的目的；根據壓力拱理論有，在關鍵層及下方巖石中并未形成壓力拱，對控制下沉較為不利。見表1:不同軟巖厚度時的關鍵層下沉量
　　                       
　　我們認為，關鍵層理論以及壓力拱理論兩者是一個問題的兩個方面。在巖石這種非連續體中，當開掘出空間后，原巖應力的轉移變化是有一定規律的，壓力拱是這個規律的一種表述，關鍵層是這個規律中最為重要的一個環節。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，關鍵層下沉量均較小，并且形成的越早對控制下沉越有利，而關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，原因在于此時關鍵層在壓力拱的支撐下相對懸露長度已經小于關鍵層的破斷距，關鍵層可以保持完整性，充分體現控制上覆巖層變形和地表下沉的目的。
　　3. 結論
　　1.關鍵層保持完整與穩定，對控制巖層移動和地表變形起到決定性作用。2.關鍵層下部巖層對關鍵層穩定起作用，當其厚度達到一定量時，可以實現開采寬度等于或者略大于關鍵層破斷距，而保證關鍵層不破斷。
　　
　　
　　參考文獻
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