中厚煤層充填效果模擬分析

張 瑾

（靈石縣煤礦安全監(jiān)管巡查隊(duì)， 山西 靈石 031300）

1 充填開(kāi)采試驗(yàn)區(qū)狀況

某礦西二區(qū)22-2號(hào)煤層均厚2.0 m，采用綜合機(jī)械化采煤法進(jìn)行開(kāi)采，工作面采用ZYP4300/16/32型綜采液壓掩護(hù)式支架，MG-300/730-WD雙滾筒采煤機(jī)割煤，循環(huán)進(jìn)度1.0 m，每天5個(gè)循環(huán)，采煤機(jī)每天推進(jìn)距離為5 m。

22-2號(hào)煤層在全礦井范圍內(nèi)，采出煤量不多，只有北五區(qū)部分已采。24線(xiàn)以南與22-1號(hào)煤層合并為一層。距22-1號(hào)煤層0～30 m，平均16 m左右，一般南部間距小，往北增大。下部距27號(hào)層95～132 m，平均120 m左右，全礦共有90個(gè)鉆孔見(jiàn)該煤層，純煤總厚度0.10～7.05 m，平均1.80 m，屬薄至中厚煤層，全礦發(fā)育全礦可采，為較穩(wěn)定煤層。西二區(qū)22-2層煤上部煤層硬而脆，中部較軟，頂板有凝灰質(zhì)泥巖粉砂巖、細(xì)砂巖，粉砂巖，厚度為0.10～0.25 m。22-2和18層煤之間是25.0～50.0 m粉砂巖，煤層傾角為 14°～34°，平均傾角 24°。底板為中砂巖。

2 數(shù)值模擬

工作面實(shí)際開(kāi)采長(zhǎng)度為走向200 m、傾向64 m、埋深為40 m，煤層傾角為24°。根據(jù)模擬研究目的以及方便計(jì)算，設(shè)計(jì)工作面長(zhǎng)度為200 m×60 m[1]。

當(dāng)采煤工作面不斷向前推進(jìn)，采煤工作面的后方形成采空區(qū)，針對(duì)采空區(qū)，可以采取不充填的自然垮落法、條帶充填法和完全充填法。接下來(lái)本文將針對(duì)采空區(qū)采取完全不充填、充填5 m留出10 m不充填（充五留十）、充填10 m留出10 m不充填（充十留十）和完全充填四種情況進(jìn)行數(shù)值模擬理論分析。

2.1 工作面未充填數(shù)值模擬

工作面長(zhǎng)度200 m，傾向長(zhǎng)度60 m，煤層厚度2 m，采煤機(jī)截深1 m，工作面每日推進(jìn)5刀，工作面每日推進(jìn)5 m，根據(jù)煤礦實(shí)際情況，煤礦采用三八制，當(dāng)工作面每推進(jìn)5 m后，建立模型進(jìn)行一次模擬，最后，應(yīng)用COMSOLMultiphysics擬軟件進(jìn)行運(yùn)算[1-2]。

當(dāng)采煤工作面推進(jìn)20 m時(shí)，在工作面的前方的煤層的上方和下方出現(xiàn)應(yīng)力集中，應(yīng)力最大值達(dá)到1.395×107Pa，在采空區(qū)的下部底板受力較小，在其他部位，受力比較均勻的分布在5×106Pa到8×106Pa，整個(gè)區(qū)域內(nèi)的受力情況近似關(guān)于在距離工作面10 m的距離的位置對(duì)稱(chēng)。

當(dāng)工作面推進(jìn)40 m時(shí)，在工作面煤壁的上方和下方和在開(kāi)切眼的上下部分出現(xiàn)應(yīng)力集中，應(yīng)力為1.97×107Pa，應(yīng)力分布近似關(guān)于采空區(qū)呈對(duì)稱(chēng)分布。

當(dāng)采煤工作面推進(jìn)50 m時(shí)，其應(yīng)力分布圖與推進(jìn)40 m時(shí)應(yīng)力分布圖相似，在工作面的頂板和底板處出現(xiàn)應(yīng)力集中，但最大應(yīng)力值增大為2.29×107Pa，已經(jīng)超過(guò)了頂板的受力范圍，表示此處已經(jīng)發(fā)生初次來(lái)壓，頂板已經(jīng)冒落，在采空區(qū)已經(jīng)形成冒落帶、裂隙帶以及彎曲下沉帶，頂板的冒落引起上覆巖層的移動(dòng)和變化，造成地表的下沉，采空區(qū)的上部的地表的建筑物、橋梁以及各種管道造成破壞。

在采取不充填的情況下，頂板下沉量隨著工作面的推進(jìn)距離的加大而逐漸加大，當(dāng)工作面推進(jìn)到50 m時(shí)，工作面初次來(lái)壓，頂板冒落到采空區(qū)，頂板下沉量達(dá)到了最大值2 m。

2.2 工作面完全填數(shù)值模擬

根據(jù)煤礦實(shí)際情況，當(dāng)工作面每推進(jìn)5 m后，進(jìn)行一次充填，一次充填長(zhǎng)度為5 m，充填接頂，接頂率為100%，同時(shí)對(duì)工作面每推進(jìn)5 m，進(jìn)行一次充填，充填長(zhǎng)度為5 m建立數(shù)值模擬模型。

充填時(shí)，當(dāng)工作面推進(jìn)20 m時(shí)，工作面煤壁的下方所受到的應(yīng)力為應(yīng)力最大的區(qū)域，在該區(qū)域內(nèi)的應(yīng)力最大值在8×106Pa左右，采區(qū)內(nèi)部的應(yīng)力主要分布在淺藍(lán)色區(qū)域，所受的應(yīng)力比較小，主要分布在4×106Pa到6×106Pa區(qū)間內(nèi)，上覆巖層為承受較大的應(yīng)力。

充填時(shí)，當(dāng)工作面推進(jìn)40 m時(shí)，在煤壁的下方出現(xiàn)了較大的應(yīng)力，最大值可達(dá)到8×106Pa，在工作面的上下方形成一個(gè)應(yīng)力較小的區(qū)域，上覆巖層整體受力較小，一般在4×106Pa左右。

當(dāng)工作面推進(jìn)60 m時(shí)，工作面的受力狀態(tài)與推進(jìn)40 m時(shí)所收到的力近似一致，近似可以看作是40 m時(shí)的受力狀態(tài)跟隨采煤工作面的推進(jìn)向前推進(jìn)20 m，上覆巖層整體受力較小[2]。

通過(guò)觀察模擬，可以看出，當(dāng)對(duì)采空區(qū)采取充填時(shí)，采場(chǎng)上覆巖層整體受力情況得到了良好的改善，可以大幅度的改善上覆巖層應(yīng)力。

2.3 工作面“充五留于"數(shù)值模擬

采用這種方法充填時(shí)，當(dāng)采煤工作面推進(jìn)到25 m時(shí)，在采空區(qū)有一條充填體，充填體所收到的力是最大的，最大應(yīng)力值已經(jīng)達(dá)到了1.59×107Pa，采空區(qū)未充填的頂板處應(yīng)力較小，采空區(qū)頂板的壓力主要集中在寬度為5 m的充填體上，近似相當(dāng)于充填體承載了上部巖層的壓力，除去充填體外，整個(gè)區(qū)域內(nèi)部的應(yīng)力為產(chǎn)生明顯的集中，整體受力狀態(tài)良好。

當(dāng)采煤工作面向前推進(jìn)55 m時(shí)，在三條充填體上產(chǎn)生應(yīng)力集中，最大應(yīng)力值為1.93×107Pa，在開(kāi)切眼后部以及工作面的前部也產(chǎn)生了應(yīng)力集中，但應(yīng)力值沒(méi)有充填體上那么大。上部頂板的壓力主要集中在三條充填體和未開(kāi)采煤層以后開(kāi)切眼后部的巖體上，充填體、為開(kāi)采煤層以及開(kāi)切眼后部的巖體起著共同支撐頂板的左右，在區(qū)域內(nèi)部其他位置受力較小。

當(dāng)采煤工作面推進(jìn)到110 m時(shí)，在六條充填體上產(chǎn)生了較大的應(yīng)力集中，此時(shí)的應(yīng)力達(dá)到了2.2×107Pa，采空區(qū)上覆巖層由充填體、未開(kāi)采煤層以及開(kāi)切眼后方的巖體共同支撐，由于采空區(qū)比較寬，在采空區(qū)中部的巖體的應(yīng)力不能夠向開(kāi)切眼后方巖體以及工作面前方的煤壁發(fā)生轉(zhuǎn)移，所以導(dǎo)致了采空區(qū)中部的充填體的應(yīng)力集中，產(chǎn)生了較大的應(yīng)力值。在開(kāi)切眼處和工作面前方煤壁也產(chǎn)生了應(yīng)力集中，但應(yīng)力值要小于充填體所受應(yīng)力，區(qū)域內(nèi)部其他部位巖體受力較小。

采用這種充填方法，頂板的最大下沉量隨著工作面的推進(jìn)而逐漸加大，在工作面推進(jìn)45 m后，頂板最大下沉量增大幅度較大，最后頂板最大下沉量集中在0.52 m。

2.4 工作面“充十留十”數(shù)值模擬

這種方法與上種處理采空區(qū)的方法的思想一致，只是改變了充填與未充填的比值，采取每開(kāi)采20 m，充填采空區(qū)10 m的方法。通過(guò)數(shù)值模擬分析該方法的頂板最大下沉量。

采取該方法時(shí)，當(dāng)工作面推進(jìn)30 m時(shí)，采空區(qū)頂板的壓力由開(kāi)切眼后方巖體、充填體以及未開(kāi)采煤層共同分擔(dān)，在充填體上產(chǎn)生了較大的應(yīng)力，通過(guò)與右側(cè)色帶的對(duì)比，充填體上的最大應(yīng)力值在8×106Pa左右，在工作面前方的煤層和開(kāi)切眼后方的巖體也產(chǎn)生了應(yīng)力集中，不過(guò)應(yīng)力值比較小。

當(dāng)工作面推進(jìn)70 m時(shí)，采空區(qū)的頂板由未開(kāi)采煤層、開(kāi)切眼后方巖體以及充填體共同支撐，在充填體上產(chǎn)生了較大的應(yīng)力集中，此處的應(yīng)力值比工作面推進(jìn)30 m時(shí)的應(yīng)力值大。在開(kāi)切眼后方巖體以及工作面前方煤壁產(chǎn)生了較小的應(yīng)力集中，區(qū)域內(nèi)其他部位受到的里較小。

當(dāng)采煤工作面推進(jìn)150 m時(shí)，采空區(qū)上部巖體的壓力分布在7條充填體、未開(kāi)采的煤層以及開(kāi)切眼后方的巖體上，在這三個(gè)區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力集中，在模擬中的其他區(qū)域受力較小。

在采取充10 m留10 m這種充填方式時(shí)，頂板的最大下沉量隨著工作面的推進(jìn)，頂板最大下沉量有緩慢的增加，增加幅度極小。當(dāng)工作面推進(jìn)到180 m時(shí)，頂板最大下沉量為0.174 3 m。

3 模擬結(jié)果分析

在采取完全不充填的方式管理頂板時(shí)，隨著工作面的不斷推進(jìn)，頂板的下沉量逐漸加大，當(dāng)工作面推進(jìn)到50 m時(shí)，頂板初次垮落，頂板冒落到采空區(qū)，此時(shí)頂板下沉量達(dá)到最大值，即開(kāi)采高度2 m；當(dāng)采取完全充填的方式處理采空區(qū)時(shí)，頂板的下沉量隨著工作面的推進(jìn)距離的加大而增大，但增加幅度極小，頂板的下沉量最大值僅為0.137 9 m；當(dāng)對(duì)采空區(qū)采取“充五留十”的方式處理采空區(qū)時(shí)，頂板的下沉量隨著工作面推進(jìn)距離的加大而逐漸加大，當(dāng)工作面推進(jìn)距離75 m時(shí)，頂板的最大下沉量達(dá)到0.462 3 m，當(dāng)工作面繼續(xù)推進(jìn)時(shí)，頂板的最大下沉量增長(zhǎng)速度減慢，趨于平緩，頂板的最大下沉量在0.52 m；當(dāng)采取“充十留十”的方式處理采空區(qū)的時(shí)候，頂板最大下沉量也是隨著工作面的推進(jìn)而不斷加大，最后的頂板的最大下沉量?jī)H為0.171 m。

圖1 不同處理方式頂板最大下沉量隨推進(jìn)距離的曲線(xiàn)圖

通過(guò)對(duì)充填與不同充填方式的數(shù)值模擬，通過(guò)模擬獲得了四種不同情況下頂板最大下沉量可以獲得當(dāng)采取不充填的方式處理采空區(qū)時(shí)，隨著工作面的推進(jìn)，當(dāng)推進(jìn)到50 m時(shí)形成初次垮落，頂板破斷，在重力的作用下冒落到采空區(qū)，頂板最大下沉量的值達(dá)到了2 m；當(dāng)采取完全充填的方式處理采空區(qū)時(shí)，頂板最大下沉量一直比較平穩(wěn)的控制在0.1313～0.137 9 m這個(gè)區(qū)間內(nèi)，頂板最大下沉量控制在了比較小的范圍以?xún)?nèi)；當(dāng)采取“充五留十”的方式處理采空區(qū)時(shí)，隨著工作面的推進(jìn)，頂板下沉量不斷加大，充填體所受到頂板的壓力大于充填體的強(qiáng)度，充填體被頂板壓碎，但是破碎的充填體依然可以起到支撐頂板的作用，最后頂板的最大下沉量的值為0.52 m；當(dāng)采取“充十留十”的方式對(duì)采空區(qū)進(jìn)行充填時(shí)，頂板的最大下沉量隨著工作面的推進(jìn)而加大，但是加大幅度很小，僅比完全充填時(shí)頂板最大下沉量大，充填體受到的力比“充五留十”的壓力小，在充填體的中部，有穩(wěn)定的柱核區(qū)，起到支撐頂板的作用[3-5]。

對(duì)采空區(qū)采取充填不僅可以起到減小地表最大下沉量的目的，而且還可以改善采空區(qū)上覆巖層的受力狀態(tài)，使采空區(qū)上部巖層受到較小的應(yīng)力，以保持上覆巖層的穩(wěn)定性。

4 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)工作面每推進(jìn)5 m充填5 m時(shí)，頂板的下沉量都在0.131 3～0.137 9 m這個(gè)區(qū)間內(nèi)，當(dāng)采取“充十留十”的方式處理采空區(qū)時(shí)，頂板最大下沉量也是隨著工作面的推進(jìn)而不斷加大，最后的頂板的最大下沉量?jī)H為0.171 m。由此可見(jiàn)，通過(guò)采取充填處理采空區(qū)的方法時(shí)，可以很好的控制頂板的下沉量，能夠維持上覆巖層的穩(wěn)定性，以免造成地表明顯的下沉，保護(hù)地面上的建筑物。