综放工作面条带膏体充填开采技术研究

潘少辉

摘 要：为了响应国家对资源开采的长远政策，针对铁路下、水体下及建筑物下的遗留煤柱问题，本文对膏体充填开采技术进行研究。通过计算三带高度确定模型高度，利用FLAC-3D数值模拟软件对膏体充填开采直接顶的应力应变及塑性区进行分析，发现覆岩的垂直应力在10MPa～15MPa，发现充填体所受应力随时间的变化趨势可分为三个阶段分别为分别为充填体强度快速上升期、充填体强度缓慢上升期及充填体强度稳定期。为膏体充填开采技术提供一定的借鉴。

关键词：综放工作面;膏体充填开采;数值模拟;顶板变形

1 前言

我国能源格局总体呈现出多煤贫油少气，随着开采年限的增加，我国煤炭资源的储量逐步减小。随着我国对煤矿的整改，淘汰落后产能成了矿山开采的策略。膏体充填开采技术是针对水体下、铁路下、建筑物下的一种绿色开采技术，可以有效的将资源回收和保护环境相互结合。此前汪华君、陈善乐[1]对厚煤层提出采用厚煤层充填采矿法研究，经过膏体充填后充填体受到的平均强度可以达到7.1MPa，工作面地表的下沉量减小至5mm，有效的提升了矿山的经济效益。宋光远[2]通过数值模拟对膏体充填回收条带煤柱的采空区地表沉陷进行实际测量发现，充填开采后上覆岩的活化程度与煤层的距离存在联系，最大的活化在距煤层100m内，且膏体回收条带的煤柱覆岩活化率保持在15%～30%。本文以东曲矿28802综采工作面以为研究背景，通过数值模拟对膏体充填开采的覆岩运移规律进行研究，为膏体充填开采条带煤柱提供一定的参考。

2 膏体充填开采覆岩予以研究

对膏体充填开采的覆岩运移规律的模拟研究一般选用FLAC-3D数值模拟软件，在进行模型计算前需对模型进行建立，模型建立尺寸越小，计算时边界效应越明显，所以在进行模型建立时需要适当设定模型的大小。根据东曲矿的地质条件可以计算出上覆岩层的三带高度，以此来确定模型上下界。首先进行覆岩的破坏带高度。3上煤层的平均倾角为3°，工作面的采高为2.9m，计算公式如下：

公式中：Hm为冒落带的高度，m;m为岩石的碎胀系数，选取1.2;α为煤层的倾角，°。导水带的经验公式根据覆岩的实际情况分为：

公式中：Hli为中硬覆岩的导水裂隙带的高度，m;M为煤层的采高，m。软弱覆岩的导水带高度为：

经过计算后可知两种岩性覆岩下导水带裂隙带高度为35±5.6m和21±4.0，确定导水裂隙带的高度为40m。根据现场实测可知，底板导水破坏高度的公式为：

公式中的hl为底板导水破坏高度，m;L为工作面的斜长，资料可知为100m;H为采深，m。经过计算底板导水破坏高度为20m，所以可以得出模型的高度为：

所以建立的模型长宽高分别为366m、336m和76.8m。模型完成建立后对岩层进行力学参数设定。根据上覆岩层自重计算公式可计算得出均布载荷9MPa。在2351膏体充填开采前，相邻工作面2302和2303采取条带垮落开采，开采完成后直接顶的应力、位移及塑性区云图如图1所示。

根据垮落法开采后覆岩状态云图可以看出，经过垮落法开采后采空区的下沉量最大值出现在采空区的中间位置，下沉量的最大值为2.8m，直接顶的下沉量在云图中呈现出对称分布，且对称中心为采空区的中心，同时下沉由采空区向着周围扩展，呈现O型，随着扩展距离逐步增大，下沉量逐步减小。在采空区的边界位置由于条带煤柱的支撑作用，使得下沉量得到有效的控制，下沉量约为1m。同时根据直接顶的应力云图可以看出，随着距离采空区距离的增大，直接顶受到的垂直应力明显减小，且同样呈现出对称分布的特性，分布规律与直接顶的位移云图类似。观察上覆岩层的塑性区分布可以看出，上覆岩层形成铰接结构，与煤柱间的孔隙范围较大。

为了对煤层顶板的垂直应力进行监测，在开采煤层顶板的上端部布置3条监测线，对模拟过程中顶部的受力进行监测，三条监测线的位置分别布置在工作面顶板中部及顶板的两侧，其中每条监测线分别布置四个监测点，四个监测点监测到的顶板垂直应力的变化趋势大致相似，均出现快速增长后区域平稳的状态，在模拟计算在27000步后，顶板的垂直应力均出现稳定的特征。膏体充填后顶板受到的垂直应力大致分布在15MPa以内，随着工作面的开采，应力快速增长，当充填体达到一定强度后，顶板的应力开始趋于稳定，工作面处于安全状态。

3 充填体变形研究

膏体充填开采前顶板会存在一定的变形，称之为充填之前顶板变形量，当充填体充填进入采空区后，充填体对采空区无法达到完全充填，这时顶板与充填体之间会由于未完全充填而存在一定的缝隙，称之为充填欠接顶量。为了对充填开采的工作面进行控制，需要对充填体的变形及受力情况进行一定的监测，同样在充填体的中间及两端设置三条监测线，每条监测线存在4个监测点，监测的位移及应力变化情况如图2所示。

根据图2可以看出，当膏体刚进入待充填工作面时，此时的膏体的强度较小，此时的支撑体系靠着煤柱、工作面支架及已经存在支撑强度的充填体组成。充填体的充填强度一般需要28天左右形成。同时充填体的强度根据曲线可以分为三个阶段，分别为充填体强度快速上升期、充填体强度缓慢上升期及充填体强度稳定期。在每个阶段内的垂直应力的增长柜率大致趋势呈现一定的相似性。所以在充填体的不同阶段需要相应的进行支护补强，在充填体强度前期需要对顶板进行支护，保证充填有效完成，充填体支护后期需要对充填体的变形及受力进行有效的监测，保障工作面支撑系统安全运行。

4 结论

①根据东曲矿28802综采工作面地质条件计算出上覆岩层的三带高度，分别为冒落带高度14m、裂隙导水带高度40m和底板导水破坏带高度20m，并结合煤层高度2.8m，给出了模型建立的高度为76.8m;②经过垮落法开采后采空区的下沉量最大值为2.8m，出现在采空区中部。直接顶的下沉量在云图中呈现O型分布。在采空区的边界位置由于条带煤柱的支撑作用，使得下沉量得到有效的控制，下沉量约为1m;③膏体充填后顶板受到的垂直应力大致分布在15MPa以内，充填体的强度根据曲线可以分为三个阶段，分别为充填体强度快速上升期、充填体强度缓慢上升期及充填体强度稳定期，且垂直应力稳定后小于12MPa。

参考文献：

[1]汪华君，陈善乐.建筑群下构造带倾斜条带充填开采实践[J].采矿技术，2014，000（001）：29-32.

[2]宋光远，周华强.膏体充填回收条带煤柱覆岩活化规律研究[J].煤矿安全，2019，50（02）：234-237.