金谷煤矿矸石充填开采可行性分析与应用效果监测

李胜伟

（冀中能源邢台矿业集团有限责任公司山西古县金谷煤业）

近年来，煤矿矸石充填采煤技术已经趋于成熟，该技术是在工作面支架后方，将煤矸石等材料及时充填到采空区中，从而减小工作面覆岩以及地表的移动与变形，原有巷道靠近采空区的一侧通过巷旁支护结构控制留巷围岩的变形，直到充填材料的压缩和覆岩的下沉达到平衡状态，从而达到无煤柱开采目的，这为“三下”压煤开采问题提供了一个良好的解决方案［1］。充填开采能有效减小覆岩移动变形、地表沉降、煤柱损失，能有效提高采出率，同时还能够实现煤矸石的二次利用，促进了矿山的绿色发展，成为目前煤矿开采首选的采煤技术［2］。

针对充填开采条件下的覆岩移动特性方面的研究，刘长友等［3］在充填开采条件下分析了有无关键层和充填体的压缩率2个不同方面对上覆岩层移动规律的影响；缪协兴等［4］分析了矸石充填开采综采和普采的适用条件，同时还引出了“等价采高”的概念；王家臣等［5］通过相似模拟和数值计算的方法，揭示了采空区内的充填材料限制了直接顶的变形与破坏，直接顶以断裂和冒落为主，基本顶以弯曲下沉形式为主；曲华等［6］通过将密实充填开采与垮落法开采进行对比，证明了密实充填开采的优越性，同时分析了随着工作面推进顶板下沉量的变化，并将其分成小变形、剧烈变形、变形稳定3个阶段，分别与充填开采中的应力变化相对应；李帅等［7］通过3DEC离散元软件，研究了裂缝对充填开采覆岩移动特征的影响，得到有无裂缝、不同裂缝数目、不同裂缝倾角均值条件下上覆岩层下沉量情况各不相同的结论。

以上研究从不同方面对充填开采进行了分析，但基于上覆岩层移动规律的开采方案可行性分析的研究很少。因此，针对金谷煤矿11101工作面，基于岩层移动的“等价采高”理论，在机械化煤矸石固体充填采空区的工艺条件下，采用UDEC7.0建立了传统垮落法开采与充填开采数值分析模型，对比分析2种开采方式下的覆岩移动变形规律，最后对11101工作面在矸石充填开采时的覆岩变形进行现场实测。

1 工程概况

金谷煤矿投产初期采用全部垮落法处理采空区，容易造成煤层顶板下沉量偏大，煤壁片帮，且采出的矸石量大。同时，矸石的处理也成为一大技术难题，堆放不仅占用土地，有的还会产生有害气体。为此，该矿开始采用矸石充填开采技术，以此缓解全部垮落法开采所带来的问题。

11101工作面位于矿区西南部，工作面面积为160 101.4 m2，地面标高为893～1 070 m，工作面标高为800.7～847.6 m。工作面走向长959.9～1 115.1 m，平均走向长1 037.5 m，倾向长150 m，煤层厚度在2.2～2.6 m，平均煤厚为2.3 m，煤层倾角为1°～8°，平均为4°。

2 矸石充填开采工艺及基本原理

2.1 矸石充填开采工艺

矸石充填综采面与传统综采面最大的不同之处在于前者支架尾部有充填构件，主要包括运送矸石的刮板输送机和用于夯实矸石的千斤顶。金谷矿11101工作面采用走向长壁后退式开采，回采后采用矸石充填采空区。首先，利用布置在地面的矸石破碎系统将大块矸石加工成块度约为5 cm的矸石，然后将其运至采煤工作面后方的多孔底卸式输送机上，经多孔底卸式输送机的卸料孔将矸石充填入采空区，最后通过充填支架后部的夯实系统进行夯实（夯实力约2 MPa），由此完成矸石置换煤炭的过程。

2.2 矸石充填开采基本原理

随着工作面的推移，顶板裸露的面积越来越大，顶板初次来压，基本顶开始垮落。矸石充填体作为承载覆岩的新的支承结构。在被压实挤密的过程中，承载能力不断提高，进一步限制围岩变形，覆岩层移动破坏得到了控制。由于矸石充填体内存在较大空隙，其压实后的体积小于采出的煤体，故顶板出现下沉是绝对的，其最终下沉量用等价采高Hm来表示［8］，如图1所示。

等价采高Hm计算方法：

式中，C为压实率，即充填材料压缩后的高度与初始填装高度的比值。

从式中可知，等价采高Hm与充填前顶板下沉量U1、充填体距顶板距离U2、充填体压实率C有关。采空区充填越充分，矸石充填体被夯实程度越大，等效采高就越小，顶板下沉就越不明显。

3 矸石充填开采覆岩移动规律数值模拟研究

3.1 模型的建立及参数选择

为了对比分析传统垮落法开采与充填开采条件下采动覆岩移动规律与地表沉降区别，分别建立传统垮落法开采数值模型和充填开采数值模型，研究井下工作面不同开挖步距下的覆岩移动变形破坏规律。根据工程概况，采用UDEC7.0建立高100 m、宽180 m的二维数值计算模型，采用莫尔—库伦屈服准则进行计算，结构面选择接触滑移模型求解。模型的左、右、下边界为固定位移边界，上边界为自由边界。模型在开挖工程中，其左右各留设40 m煤柱用于消除边界效应，模型模拟工作面推进90 m。为了得到获得顶板下沉量，分别在模型上边界布置12个间距为10 m的等距位移监测点。为了获得煤层开挖后的地表下沉情况，在11101工作面上方地表沿着走向布置一条观测线，共设置12个位移监测点。在模拟传统垮落法开挖时，每次向前开挖15 m，对于模拟充填开采，采用开挖回填的方式，即每向前推进15 m，后方采空区相应地回填15 m，直至开采结束。数值计算初始模型如图2所示，煤岩体力学参数见表1。

3.2 传统垮落法覆岩移动规律

图3、图4为传统垮落法不同开挖步距下计算结果，当工作面推行15 m时，顶板基本保持完好，开始产生极少量裂隙，顶板基本保持完整。随着工作面推进至30 m时，顶板初次来压，直接顶开始垮落，裂隙扩展高度不断增加，在实体煤壁侧形成悬臂梁结构。当工作面推进至45 m时，顶板周期来压，直接顶逐渐垮落，裂隙扩展高度不断增加，同时朝着工作面方向扩展发育，在实体煤壁侧仍保持悬臂梁结构。随着工作面的不断推进，工作面上方顶板不断垮落，且垮落高度基本保持一致，裂隙扩展高度也基本保持一致，靠近采空区侧的裂隙逐渐减少，这是由于垮落的散乱岩石被逐渐压实的原因，这个过程会随着工作面的推进而不断循环，直到采煤结束。

3.3 矸石充填开采覆岩移动规律

图5为矸石充填条件下不同开挖步距覆岩位移云图，在矸石填率条件下，采空区顶板未出现离层垮落现象，主要表现为弯曲下沉。由于充填体材料强度相对较低，随着工作面不断推进，充填体在顶板周期来压的作用下受挤压变形较为严重，顶板垂直位移在逐渐增大。随着工作面的不断推进，顶板最大下沉点位逐渐向左侧偏移，并非总是保持在中间位置，分析其原因为在工作面回采过程中，覆岩受采动的影响范围越来越大，且尚未达到稳定的状态，以及充填体是非刚性的，可塑性较强，经历的时间越长，充填体的累计压缩量越大，最终顶板最大下沉量约为1.28 m。

图6为高充填率下工作面推进90 m裂隙发育情况，采动裂隙主要集中在非充填区域上方，而在充填区域上方裂隙很少，其主要原因为在充填体的支撑作用下，顶板产生的裂隙不断被压实闭合，越靠近采空区后方，裂隙越少。相较于传统垮落法开采，充填开采下覆岩裂隙发育高度明显较低、数量明显减少。

图7为工作面推进90 m时，上方地表处的各个监测点的垂直位移值，地表最大下沉量位于开采范围的中部位置，越是靠近开采边界，地表下沉量越小，且地表最大下沉点位偏向左侧。传统垮落法开采的地表最大下沉值为1.9 m，下沉系数约为0.76，而采用矸石充填法开采的地表最大下沉值为1.4 m，下沉系数约为0.56。主要原因是在使用矸石充填采空区后，原覆岩垮落空间被矸石充填体所填充，矸石充填体作为承载覆岩的新支承结构。在被压实挤密的过程中，承载能力不断提高，进一步限制围岩变形，覆岩层移动破坏得到了控制。

4 现场应用

基于上述矸石充填率对工作面覆岩结构和留巷围岩的影响分析，在11101工作面上方地表沿着走向布置1条观测线，共布置12位移个监测点，采用全站仪三角高程法进行现场实测。首先选择1个不受采动影响的点位作为测量的基准点，该点距离工作面切眼约40 m处。其次，在工作面推进前，对每个监测点进行3次高程测量取得每个测点的高程平均值。最后，待该工作面回采充填完成并且等到覆岩垮落基本稳定，再对每个监测点进行3次高程测量取得每个测点的高程平均值。将工作面回采前后每个测点的高程做差，得到每个测点的地表沉降值。实践表明，当充填材料的压实率与覆岩的移动达到平衡后，采空区侧顶板没有较为明显的变形，此时顶板的稳定性较高，有利于后续工作面的开采。图8为沿走向方向布置监测点所得到地表下沉曲线，所测得的最大地表下沉值为1.2 m，与上述充填开采数值模拟结果接近，可见采用矸石充填开采对覆岩稳定的控制及防治地表沉降效果显著。

5 结 论

（1）通过对比分析，矸石充填开采相比传统垮落法开采技术，充填开采能够很大程度上地降低上覆岩层的变形与破坏，有利于上覆岩层的稳定性。传统垮落法开采的地表最大下沉值为1.9 m，下沉系数约为0.76，而采用矸石充填法开采的地表最大下沉值为1.4 m，下沉系数约为0.56。

（2）通过在11101工作面顶板进行现场实测，结果显示：在矸石充填开采条件下，工作面上方顶板变形不明显，未出现较大的裂隙，整体较为完整，并通过沿走向方向布置监测点所测得的最大地表下沉值为1.2 m，与上述充填开采数值模拟结果接近，可见采用矸石充填开采能够有利于控制覆岩的稳定性和防治地表沉降，对后续的煤矿安全生产具有重大意义。