不同充填率下矸石充填开采覆岩运动规律研究

郭鑫 李全水 李良贺

摘要：文章以翟镇煤矿 7203E工作面为例，采用 FLAC3D软件建立矸石充填开采数值计算模型，研究不同的充实率条件下矸石充填开采覆岩运动规律，研究表明：随着充填率的增大，采空区上覆岩层的运动越来越小，当工作面充填率为65%时，覆岩最大下沉量为208mm；当充填率上升至75%时，覆岩最大下沉量为159mm，相较充填率为65%时的覆岩最大下沉量降幅为23.5%；当充填率提升至85%时，覆岩最大下沉量为112mm，相较充填率为65%时的覆岩最大下沉量降幅为31.5%；而当充填率进一步提升至95%时，覆岩最大下沉量为105mm，相较充填率为65%时的覆岩最大下沉量降幅仅为6.3%。

关键词：矸石充填；充填率；覆岩运动；数值模拟

1 工作面概况

翟镇煤矿7203E面为原石矸石充填工作面，该工作面平均采深600m，煤层的平均倾角为4°，采高2.15m，煤层的走向长578m，倾向长96m。依据钻孔柱状图，可以看出该工作面的老顶为细沙岩，灰黄色，裂隙发育，裂隙被黄土充填，较软，f=3.0，直接顶是由砂岩互层、灰黑色粉砂岩及煤2上2分层构成的复合顶，直接底为灰色-灰白色细砂岩，成分以石英为主，颗粒均匀，分选佳，胶结物以硅质及泥质为主，孔隙胶结，细水平层理，f=4.0。其岩石力学参数如下表：

2 不同充填率下矸石充填开采覆岩运动的数值模拟

2. 1 数值计算模型的建立

根据7203E工作面开采地质条件，建立三维数值计算模型。模型上边界与煤层的距离约为66 m，下边界与3煤距离约为42 m。据此本次模拟模型尺寸为200×200×110（长×宽×高），工作面长90 m，两侧各留5 m煤柱，模拟工作面走向长度为560 m，前后各留4 m煤柱。将上覆岩层简化为均布载荷12.75 MPa加在模型的上边界.模型侧面和底面限制移动，计算中煤岩采用弹塑性本构模型，屈服准则采用Mohr-Coulumb准则。

2. 2 不同充填率下矸石充填开采覆岩运动的位移云图

为研究不不同充填率下矸石充填开采覆岩运动规律，设矸石充填体强度满足一定要求。本次研究中充填率的参数变量分别为65%、75%、85%和95%。基于FlAC3D数值模拟软件，得到了不同充填率下的覆岩运动的位移云图。

3 不同充填率下矸石充填开采覆岩运动的规律分析

通过不同充填率下矸石充填开采覆岩运动位移云图，可以看出：

1）采空区上覆岩层的沉降位移呈分层分布，且直接顶的沉降位移明显大于老顶的沉降位移。

2）随着充填率的增大，采空区上覆岩层的沉降位移越来越小，当工作面充填率为65%时，覆岩最大下沉量为208mm；当充填率上升至75%时，覆岩最大下沉量为159mm，相较充填率为65%时的覆岩最大下沉量降幅为23.5%；当充填率提升至85%时，覆岩最大下沉量为112mm，相较充填率为65%时的覆岩最大下沉量降幅为31.5%；而当充填率进一步提升至95%时，覆岩最大下沉量为105mm，相较充填率为65%时的覆岩最大下沉量降幅仅为6.3%。且采空区上覆岩层15 m处的沉降位移均小于10 cm。

3）随着充填率的增大，采空区上覆岩层的分层程度逐渐减弱，当充填率为85%时，采空区上覆岩层的分层减弱程度较为明显，之后随着充填率的增大，采空区上覆岩层的分层程度基本稳定。

4 结论

在不同充填率下矸石充填开采覆岩运动规律研究中，可得出以下结论：

充填率是控制覆岩运动的关键参数，充填率越高，覆岩沉降位移越小，垂直应力越小。

当充填率达到85%时，随着充填率的再次增加，覆岩运动位移趋于稳定。

综合效率和效益及施工技术等条件，当充填率为85%时，既能有效的控制覆岩运动，又可以大幅度降低矿区的充填成本，提高人工效率，因此在实际生产中，可通过一系列现代化充填设备及控制矸石车的数量来确保工作面充填率在85%。

参考文献：

[1]谭云亮. 矿山压力与岩层控制[M]. 煤炭工业出版社，2011：45-47.

[2]王磊. 固体密实充填开采岩层移动机理及变形预测研究[D]. 中国矿业大学，2012：21-23.

[3]彭文斌. FLAC 3D实用教程[M]. 机械工业出版社，2008

[4]Jiang Lishuai，Sainoki Atsushi，Mitri Hani S.，et al. Influence of fracture-induced weakening on coal mine gateroad stability[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences，2016，88：307-317.

作者簡介：

郭鑫（1990-4），男，山东泰安人，硕士研究生，助理工程师，从事矿山压力与岩层控制的研究工作。