基于矸石充填技術(shù)的急傾斜煤層頂板控制研究

王 鵬 高常領(lǐng)

(攀枝花煤業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司， 四川 攀枝花 617066）

煤炭作為我國的主要能源，對(duì)我國經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展起著至關(guān)重要的作用，因此，對(duì)于煤炭資源的安全開采問題越來越引起重視[1-2]。我國的煤炭資源分布較廣泛，并且其賦存條件存在明顯的地域差異，其中，南方地區(qū)多為急傾斜煤層。急傾斜煤層由于煤層傾角較大，采掘過程中礦山壓力顯現(xiàn)與緩傾斜煤層存在較大的區(qū)別，進(jìn)一步增加了礦井開采的難度。

急傾斜煤層在開采過程中極易發(fā)生頂板失穩(wěn)冒落事故，因此對(duì)復(fù)雜條件下急傾斜煤層的頂板控制技術(shù)的研究對(duì)于礦井安全開采起著至關(guān)重要的作用。在矸石充填控制頂板的穩(wěn)定性方面，煤礦科研工作者從數(shù)值模擬、相似材模擬、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐等多個(gè)角度對(duì)其進(jìn)行了分析探討，這些研究表明充填對(duì)頂板的控制作用是顯著的，對(duì)指導(dǎo)急傾斜煤層開采矸石充填技術(shù)的應(yīng)用具有重要意義[3-6]。

本文以攀煤集團(tuán)太平煤礦急傾斜煤層的開采條件為背景，通過分析急傾斜條件下的矸石充填頂板力學(xué)模型及矸石充填對(duì)頂板控制的影響，設(shè)計(jì)了一套具體的矸石充填工藝流程，并進(jìn)行頂?shù)装遄冃伪O(jiān)測(cè)，說明矸石充填對(duì)急傾斜煤層開采的頂板有效控制有很好作用。

1 急傾斜矸石充填頂板力學(xué)模型

1.1 頂板力學(xué)模型構(gòu)建

如圖1所示，建立急傾斜開采條件下的矸石充填頂板受力模型：開采初期，隨著工作面的推進(jìn)，直接頂跨落，矸石自下而上充填采空區(qū)；隨著工作面的進(jìn)一步推進(jìn)，基本頂開始彎曲下沉壓縮采空區(qū)矸石，矸石對(duì)頂板起到一定的支撐作用，并且隨著頂板撓度的增大而增大。

圖1 急傾斜充填開采頂板結(jié)構(gòu)力學(xué)模型

當(dāng)埋深為H、巖層平均容重為γ時(shí)：

式中：

qh-覆巖自重應(yīng)力，N/m2；

qv-水平應(yīng)力，N/m2；

qv1-水平作用力的均布分布部分，N/m2；

L-采空區(qū)斜長(zhǎng)，m；

l-充填區(qū)長(zhǎng)度，m；

k-矸石對(duì)頂板作用力的分布系數(shù)，N/m3；

MA-巖梁A處彎矩，N·m；

RA—巖梁A處受力，N；

α-煤層傾角，rad；

ω-頂板撓度，m；

ω1-矸石充填區(qū)頂板撓度，m；

ω2-未充填區(qū)頂板撓度，m；

E-頂板的等效彈性模量，Pa；

I-頂板的橫截面慣性矩，m4。

1.2 矸石充填對(duì)急傾斜煤層頂板破壞的影響

急傾斜開采條件下，煤層的厚度、埋深、采煤方法等對(duì)頂板的應(yīng)力分布和破壞形式都有一定的影響。急傾斜煤層的頂板破壞形式基本上可以歸納為受拉破壞、剪切破壞和整體的滑移破壞。

根據(jù)急傾斜條件下的矸石充填頂板力學(xué)模型及相關(guān)研究，充填開采對(duì)頂板法向、切向及剪切應(yīng)力具有明顯的降低作用，有利于頂板的穩(wěn)定性，進(jìn)而提高急傾斜煤層開采過程的安全系數(shù)。

2 工程實(shí)例

2.1 工程概況

攀煤集團(tuán)太平煤礦的+700m水平北一采區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，采區(qū)內(nèi)斷層較多，屬不穩(wěn)定巖層。其中，上34#煤層可采煤厚平均為1.7m，煤層傾角24～35°，偽頂為炭質(zhì)泥巖，一般厚約0.05m，直接頂為灰色薄層狀粉砂巖，基本頂巖性為灰至灰色厚層狀中、粗粒砂巖、粉砂巖，底板巖性為灰色薄層狀粉砂巖。

2.2 矸石充填工藝流程

為了防止工作面推進(jìn)過程中懸露的頂板面積過大，導(dǎo)致頂板跨落的矸石塊較大，不利于充填，設(shè)計(jì)了一套在初采過程中采用隨采隨填方法的矸石充填工藝流程。具體的工藝流程如圖2所示，工作面矸石填充示意圖如圖3所示。

圖2 矸石充填工藝流程

圖3 采后矸石填充示意圖

2.3 充填效果引證

引用第十屆全國采礦學(xué)術(shù)會(huì)議上的急傾斜開采方面的研究學(xué)者對(duì)急傾斜開采條件下矸石充填的效果，從頂板及底板變形量監(jiān)測(cè)曲線進(jìn)行了驗(yàn)證[7]，如圖4所示。

隨著測(cè)點(diǎn)與工作面的距離增大，頂?shù)装逡平恳搽S著增大，并且增大的趨勢(shì)逐漸變緩；頂板移近量的變化趨勢(shì)基本上可以分為迅速變形、緩慢變形和變形穩(wěn)定三個(gè)階段；當(dāng)距離工作面50m左右時(shí)，頂?shù)装逡平块_始趨于平緩，并且接近最大值60mm，此變形量在允許的范圍內(nèi)，不會(huì)對(duì)正常開采作業(yè)造成影響，充填效果較好。

圖4 采空區(qū)處監(jiān)測(cè)到的頂?shù)装逡平?/p>

3 結(jié)語

矸石充填技術(shù)對(duì)急傾斜煤層頂板控制作用的影響是顯著的，不僅對(duì)頂?shù)装寰哂休^好的控制作用，其充填工藝本身也具有綠色、環(huán)保的理念，具有積極的推廣價(jià)值。