基于矸石充填技术的急倾斜煤层顶板控制研究

王 鹏 高常领

(攀枝花煤业（集团）有限责任公司， 四川 攀枝花 617066）

煤炭作为我国的主要能源，对我国经济和社会的发展起着至关重要的作用，因此，对于煤炭资源的安全开采问题越来越引起重视[1-2]。我国的煤炭资源分布较广泛，并且其赋存条件存在明显的地域差异，其中，南方地区多为急倾斜煤层。急倾斜煤层由于煤层倾角较大，采掘过程中矿山压力显现与缓倾斜煤层存在较大的区别，进一步增加了矿井开采的难度。

急倾斜煤层在开采过程中极易发生顶板失稳冒落事故，因此对复杂条件下急倾斜煤层的顶板控制技术的研究对于矿井安全开采起着至关重要的作用。在矸石充填控制顶板的稳定性方面，煤矿科研工作者从数值模拟、相似材模拟、现场实践等多个角度对其进行了分析探讨，这些研究表明充填对顶板的控制作用是显著的，对指导急倾斜煤层开采矸石充填技术的应用具有重要意义[3-6]。

本文以攀煤集团太平煤矿急倾斜煤层的开采条件为背景，通过分析急倾斜条件下的矸石充填顶板力学模型及矸石充填对顶板控制的影响，设计了一套具体的矸石充填工艺流程，并进行顶底板变形监测，说明矸石充填对急倾斜煤层开采的顶板有效控制有很好作用。

1 急倾斜矸石充填顶板力学模型

1.1 顶板力学模型构建

如图1所示，建立急倾斜开采条件下的矸石充填顶板受力模型：开采初期，随着工作面的推进，直接顶跨落，矸石自下而上充填采空区；随着工作面的进一步推进，基本顶开始弯曲下沉压缩采空区矸石，矸石对顶板起到一定的支撑作用，并且随着顶板挠度的增大而增大。

图1 急倾斜充填开采顶板结构力学模型

当埋深为H、岩层平均容重为γ时：

式中：

qh-覆岩自重应力，N/m2；

qv-水平应力，N/m2；

qv1-水平作用力的均布分布部分，N/m2；

L-采空区斜长，m；

l-充填区长度，m；

k-矸石对顶板作用力的分布系数，N/m3；

MA-岩梁A处弯矩，N·m；

RA—岩梁A处受力，N；

α-煤层倾角，rad；

ω-顶板挠度，m；

ω1-矸石充填区顶板挠度，m；

ω2-未充填区顶板挠度，m；

E-顶板的等效弹性模量，Pa；

I-顶板的横截面惯性矩，m4。

1.2 矸石充填对急倾斜煤层顶板破坏的影响

急倾斜开采条件下，煤层的厚度、埋深、采煤方法等对顶板的应力分布和破坏形式都有一定的影响。急倾斜煤层的顶板破坏形式基本上可以归纳为受拉破坏、剪切破坏和整体的滑移破坏。

根据急倾斜条件下的矸石充填顶板力学模型及相关研究，充填开采对顶板法向、切向及剪切应力具有明显的降低作用，有利于顶板的稳定性，进而提高急倾斜煤层开采过程的安全系数。

2 工程实例

2.1 工程概况

攀煤集团太平煤矿的+700m水平北一采区地质条件复杂，采区内断层较多，属不稳定岩层。其中，上34#煤层可采煤厚平均为1.7m，煤层倾角24～35°，伪顶为炭质泥岩，一般厚约0.05m，直接顶为灰色薄层状粉砂岩，基本顶岩性为灰至灰色厚层状中、粗粒砂岩、粉砂岩，底板岩性为灰色薄层状粉砂岩。

2.2 矸石充填工艺流程

为了防止工作面推进过程中悬露的顶板面积过大，导致顶板跨落的矸石块较大，不利于充填，设计了一套在初采过程中采用随采随填方法的矸石充填工艺流程。具体的工艺流程如图2所示，工作面矸石填充示意图如图3所示。

图2 矸石充填工艺流程

图3 采后矸石填充示意图

2.3 充填效果引证

引用第十届全国采矿学术会议上的急倾斜开采方面的研究学者对急倾斜开采条件下矸石充填的效果，从顶板及底板变形量监测曲线进行了验证[7]，如图4所示。

随着测点与工作面的距离增大，顶底板移近量也随着增大，并且增大的趋势逐渐变缓；顶板移近量的变化趋势基本上可以分为迅速变形、缓慢变形和变形稳定三个阶段；当距离工作面50m左右时，顶底板移近量开始趋于平缓，并且接近最大值60mm，此变形量在允许的范围内，不会对正常开采作业造成影响，充填效果较好。

图4 采空区处监测到的顶底板移近量

3 结语

矸石充填技术对急倾斜煤层顶板控制作用的影响是显著的，不仅对顶底板具有较好的控制作用，其充填工艺本身也具有绿色、环保的理念，具有积极的推广价值。