摘要：关键层是地表变形与控制岩层移动主要因素，本文引用了数值模拟结合压力拱理论，针对关键层下部软弱岩层厚度进行数据模拟分析，结果表明：关键层下部软弱岩层有稳定关键层的作用。
关键字：关键层软岩；压力拱；数值模拟；
引言
条带开采可以有效控制覆岩层和地表的沉陷,保护地面建筑物和生态环境,在我国煤矿被广泛采用，是煤矿“绿色开采技术”体系中的重要内容之一。众多学者对条带开采控制地表下沉,采留宽设计提出了相当多的理论，为保证安全、促进生产做出了贡献。
1. 条带设计理论
关键层理论
关键层理论认为，可把主关键层作为弹性岩梁。其上作用为均布载荷。把亚关键层也作为具有不同物理性质的弹性岩梁，而把各层间的软弱岩层及煤柱都作为具有不同物理性质的弹塑性地基。关键层判别的主要依据是其变形和破断特征，即在关键层破断时，其上部全部岩层或局部岩层的下沉变形是相互协调一致的，前者为岩层活动的主关键层，后者为亚关键层。关键层对控制岩层移动和开采沉陷的深入研究提供了新的理论平台。
压力拱理论
压力拱理论认为，由于采空区上方压力拱的形成,上覆岩层的负载只有很少一部分(即开采层面与拱周边之间构成的岩层重量)作用到直接顶板上，其它部分的覆岩重量会向采面两侧的实体煤区(拱脚)转移。最大压力拱的形状被认为是椭圆形，其高度在采面上下方分别约为采面宽度的2倍。压力拱的内宽主要受上覆岩层厚度的影响,压力拱的外宽则受覆岩内部组合的影响(亦即与托板控制岩层的位置及几何力学特性有关).如果采宽大于压力拱的内宽,则负载分布会变得很复杂,即一个拱脚在边侧实体煤上，另一个拱脚在采空区上，此时压力拱不稳定，有可能崩溃并伴随大量的覆岩沉陷。即使对于采宽小于压力拱内宽的条件，其稳定性也会随时间而发生变化，因此拱脚煤柱一定要有足够的强度。
2. 数值模拟
如文章前述，条带设计的两种理论都具有一定的合理行和可行性，本文希望通过数值模拟研究，能找到两种理论的良好结合点，为结合使用两种理论提供更方便的方法。Itasca公司商用软件UDEC针对岩体不连续问题而开发，可模拟分析非连续介质在静、动态荷载作用下的反应、包括块体间的完全脱离。本文运用该软件对煤层开采过程进行模拟再现，力求解释找到关键层和压力拱之间的关系。
计算模型
为减少其它影响，模型建立时尽量简化。模型长度方向为650m，底板厚度30m，煤层2m，覆岩250m转化为分布载荷q=γH（取γ=20kN/m3），关键层与煤层之间的软弱岩层选取0~40m。考虑到开采宽度为50m，关键层破断距略小于50m，则关键层岩层破断距lk根据下面的公式：
hk—为关键层的厚度，m;σk—为关键层的抗拉强度，7.5Mpa；qk—为关键层承受的载荷，Mpa。计算可得关键层厚度为30m。其它岩层网格划分采用一般方法，只是针对关键层划分方式进行了预模拟，根据计算关键层破断距离略小于本文设计开采宽度，可知在没有下部软弱岩层时关键层垮落，根据此条件调整网格，直到关键层破断后最大下沉量达到煤层厚度为止。
计算结果及分析
下图2、图3、图4、图5、图6为关键层下方软岩厚度为0m、10m、20m、30m、40m时关键层变形情况：
如图2所示，采宽大于关键层最大悬露长度时，关键层破断下沉，下沉量基本等于所采厚度，符合关键层理论。在没有下部软岩、采宽大于关键层最大悬露长度时，关键层很难起到控制岩层移动和地表下沉的目的；根据压力拱理论有，在关键层及下方岩石中并未形成压力拱，对控制下沉较为不利。见表1:不同软岩厚度时的关键层下沉量
我们认为，关键层理论以及压力拱理论两者是一个问题的两个方面。在岩石这种非连续体中，当开掘出空间后，原岩应力的转移变化是有一定规律的，压力拱是这个规律的一种表述，关键层是这个规律中最为重要的一个环节。正如上面六图中所示，在未形成压力拱的图2中，下沉量最大，在可以形成压力拱的图3、图4、图5、图6中，关键层下沉量均较小，并且形成的越早对控制下沉越有利，而关键层正是加快形成压力拱的主要原因，见图7。
从图7中还可以看出，在采宽略大于关键层破断距的情况下，下部岩层厚度大于30m后，下沉量随厚度减小趋于缓和，原因在于此时关键层在压力拱的支撑下相对悬露长度已经小于关键层的破断距，关键层可以保持完整性，充分体现控制上覆岩层变形和地表下沉的目的。
3. 结论
1.关键层保持完整与稳定，对控制岩层移动和地表变形起到决定性作用。2.关键层下部岩层对关键层稳定起作用，当其厚度达到一定量时，可以实现开采宽度等于或者略大于关键层破断距，而保证关键层不破断。
参考文献
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