金谷煤礦矸石充填開(kāi)采可行性分析與應(yīng)用效果監(jiān)測(cè)

李勝偉

（冀中能源邢臺(tái)礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司山西古縣金谷煤業(yè)）

近年來(lái)，煤礦矸石充填采煤技術(shù)已經(jīng)趨于成熟，該技術(shù)是在工作面支架后方，將煤矸石等材料及時(shí)充填到采空區(qū)中，從而減小工作面覆巖以及地表的移動(dòng)與變形，原有巷道靠近采空區(qū)的一側(cè)通過(guò)巷旁支護(hù)結(jié)構(gòu)控制留巷圍巖的變形，直到充填材料的壓縮和覆巖的下沉達(dá)到平衡狀態(tài)，從而達(dá)到無(wú)煤柱開(kāi)采目的，這為“三下”壓煤開(kāi)采問(wèn)題提供了一個(gè)良好的解決方案［1］。充填開(kāi)采能有效減小覆巖移動(dòng)變形、地表沉降、煤柱損失，能有效提高采出率，同時(shí)還能夠?qū)崿F(xiàn)煤矸石的二次利用，促進(jìn)了礦山的綠色發(fā)展，成為目前煤礦開(kāi)采首選的采煤技術(shù)［2］。

針對(duì)充填開(kāi)采條件下的覆巖移動(dòng)特性方面的研究，劉長(zhǎng)友等［3］在充填開(kāi)采條件下分析了有無(wú)關(guān)鍵層和充填體的壓縮率2個(gè)不同方面對(duì)上覆巖層移動(dòng)規(guī)律的影響；繆協(xié)興等［4］分析了矸石充填開(kāi)采綜采和普采的適用條件，同時(shí)還引出了“等價(jià)采高”的概念；王家臣等［5］通過(guò)相似模擬和數(shù)值計(jì)算的方法，揭示了采空區(qū)內(nèi)的充填材料限制了直接頂?shù)淖冃闻c破壞，直接頂以斷裂和冒落為主，基本頂以彎曲下沉形式為主；曲華等［6］通過(guò)將密實(shí)充填開(kāi)采與垮落法開(kāi)采進(jìn)行對(duì)比，證明了密實(shí)充填開(kāi)采的優(yōu)越性，同時(shí)分析了隨著工作面推進(jìn)頂板下沉量的變化，并將其分成小變形、劇烈變形、變形穩(wěn)定3個(gè)階段，分別與充填開(kāi)采中的應(yīng)力變化相對(duì)應(yīng)；李帥等［7］通過(guò)3DEC離散元軟件，研究了裂縫對(duì)充填開(kāi)采覆巖移動(dòng)特征的影響，得到有無(wú)裂縫、不同裂縫數(shù)目、不同裂縫傾角均值條件下上覆巖層下沉量情況各不相同的結(jié)論。

以上研究從不同方面對(duì)充填開(kāi)采進(jìn)行了分析，但基于上覆巖層移動(dòng)規(guī)律的開(kāi)采方案可行性分析的研究很少。因此，針對(duì)金谷煤礦11101工作面，基于巖層移動(dòng)的“等價(jià)采高”理論，在機(jī)械化煤矸石固體充填采空區(qū)的工藝條件下，采用UDEC7.0建立了傳統(tǒng)垮落法開(kāi)采與充填開(kāi)采數(shù)值分析模型，對(duì)比分析2種開(kāi)采方式下的覆巖移動(dòng)變形規(guī)律，最后對(duì)11101工作面在矸石充填開(kāi)采時(shí)的覆巖變形進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)。

1 工程概況

金谷煤礦投產(chǎn)初期采用全部垮落法處理采空區(qū)，容易造成煤層頂板下沉量偏大，煤壁片幫，且采出的矸石量大。同時(shí)，矸石的處理也成為一大技術(shù)難題，堆放不僅占用土地，有的還會(huì)產(chǎn)生有害氣體。為此，該礦開(kāi)始采用矸石充填開(kāi)采技術(shù)，以此緩解全部垮落法開(kāi)采所帶來(lái)的問(wèn)題。

11101工作面位于礦區(qū)西南部，工作面面積為160 101.4 m2，地面標(biāo)高為893～1 070 m，工作面標(biāo)高為800.7～847.6 m。工作面走向長(zhǎng)959.9～1 115.1 m，平均走向長(zhǎng)1 037.5 m，傾向長(zhǎng)150 m，煤層厚度在2.2～2.6 m，平均煤厚為2.3 m，煤層傾角為1°～8°，平均為4°。

2 矸石充填開(kāi)采工藝及基本原理

2.1 矸石充填開(kāi)采工藝

矸石充填綜采面與傳統(tǒng)綜采面最大的不同之處在于前者支架尾部有充填構(gòu)件，主要包括運(yùn)送矸石的刮板輸送機(jī)和用于夯實(shí)矸石的千斤頂。金谷礦11101工作面采用走向長(zhǎng)壁后退式開(kāi)采，回采后采用矸石充填采空區(qū)。首先，利用布置在地面的矸石破碎系統(tǒng)將大塊矸石加工成塊度約為5 cm的矸石，然后將其運(yùn)至采煤工作面后方的多孔底卸式輸送機(jī)上，經(jīng)多孔底卸式輸送機(jī)的卸料孔將矸石充填入采空區(qū)，最后通過(guò)充填支架后部的夯實(shí)系統(tǒng)進(jìn)行夯實(shí)（夯實(shí)力約2 MPa），由此完成矸石置換煤炭的過(guò)程。

2.2 矸石充填開(kāi)采基本原理

隨著工作面的推移，頂板裸露的面積越來(lái)越大，頂板初次來(lái)壓，基本頂開(kāi)始垮落。矸石充填體作為承載覆巖的新的支承結(jié)構(gòu)。在被壓實(shí)擠密的過(guò)程中，承載能力不斷提高，進(jìn)一步限制圍巖變形，覆巖層移動(dòng)破壞得到了控制。由于矸石充填體內(nèi)存在較大空隙，其壓實(shí)后的體積小于采出的煤體，故頂板出現(xiàn)下沉是絕對(duì)的，其最終下沉量用等價(jià)采高Hm來(lái)表示［8］，如圖1所示。

等價(jià)采高Hm計(jì)算方法：

式中，C為壓實(shí)率，即充填材料壓縮后的高度與初始填裝高度的比值。

從式中可知，等價(jià)采高Hm與充填前頂板下沉量U1、充填體距頂板距離U2、充填體壓實(shí)率C有關(guān)。采空區(qū)充填越充分，矸石充填體被夯實(shí)程度越大，等效采高就越小，頂板下沉就越不明顯。

3 矸石充填開(kāi)采覆巖移動(dòng)規(guī)律數(shù)值模擬研究

3.1 模型的建立及參數(shù)選擇

為了對(duì)比分析傳統(tǒng)垮落法開(kāi)采與充填開(kāi)采條件下采動(dòng)覆巖移動(dòng)規(guī)律與地表沉降區(qū)別，分別建立傳統(tǒng)垮落法開(kāi)采數(shù)值模型和充填開(kāi)采數(shù)值模型，研究井下工作面不同開(kāi)挖步距下的覆巖移動(dòng)變形破壞規(guī)律。根據(jù)工程概況，采用UDEC7.0建立高100 m、寬180 m的二維數(shù)值計(jì)算模型，采用莫爾—庫(kù)倫屈服準(zhǔn)則進(jìn)行計(jì)算，結(jié)構(gòu)面選擇接觸滑移模型求解。模型的左、右、下邊界為固定位移邊界，上邊界為自由邊界。模型在開(kāi)挖工程中，其左右各留設(shè)40 m煤柱用于消除邊界效應(yīng)，模型模擬工作面推進(jìn)90 m。為了得到獲得頂板下沉量，分別在模型上邊界布置12個(gè)間距為10 m的等距位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)。為了獲得煤層開(kāi)挖后的地表下沉情況，在11101工作面上方地表沿著走向布置一條觀測(cè)線，共設(shè)置12個(gè)位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)。在模擬傳統(tǒng)垮落法開(kāi)挖時(shí)，每次向前開(kāi)挖15 m，對(duì)于模擬充填開(kāi)采，采用開(kāi)挖回填的方式，即每向前推進(jìn)15 m，后方采空區(qū)相應(yīng)地回填15 m，直至開(kāi)采結(jié)束。數(shù)值計(jì)算初始模型如圖2所示，煤巖體力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

3.2 傳統(tǒng)垮落法覆巖移動(dòng)規(guī)律

圖3、圖4為傳統(tǒng)垮落法不同開(kāi)挖步距下計(jì)算結(jié)果，當(dāng)工作面推行15 m時(shí)，頂板基本保持完好，開(kāi)始產(chǎn)生極少量裂隙，頂板基本保持完整。隨著工作面推進(jìn)至30 m時(shí)，頂板初次來(lái)壓，直接頂開(kāi)始垮落，裂隙擴(kuò)展高度不斷增加，在實(shí)體煤壁側(cè)形成懸臂梁結(jié)構(gòu)。當(dāng)工作面推進(jìn)至45 m時(shí)，頂板周期來(lái)壓，直接頂逐漸垮落，裂隙擴(kuò)展高度不斷增加，同時(shí)朝著工作面方向擴(kuò)展發(fā)育，在實(shí)體煤壁側(cè)仍保持懸臂梁結(jié)構(gòu)。隨著工作面的不斷推進(jìn)，工作面上方頂板不斷垮落，且垮落高度基本保持一致，裂隙擴(kuò)展高度也基本保持一致，靠近采空區(qū)側(cè)的裂隙逐漸減少，這是由于垮落的散亂巖石被逐漸壓實(shí)的原因，這個(gè)過(guò)程會(huì)隨著工作面的推進(jìn)而不斷循環(huán)，直到采煤結(jié)束。

3.3 矸石充填開(kāi)采覆巖移動(dòng)規(guī)律

圖5為矸石充填條件下不同開(kāi)挖步距覆巖位移云圖，在矸石填率條件下，采空區(qū)頂板未出現(xiàn)離層垮落現(xiàn)象，主要表現(xiàn)為彎曲下沉。由于充填體材料強(qiáng)度相對(duì)較低，隨著工作面不斷推進(jìn)，充填體在頂板周期來(lái)壓的作用下受擠壓變形較為嚴(yán)重，頂板垂直位移在逐漸增大。隨著工作面的不斷推進(jìn)，頂板最大下沉點(diǎn)位逐漸向左側(cè)偏移，并非總是保持在中間位置，分析其原因?yàn)樵诠ぷ髅婊夭蛇^(guò)程中，覆巖受采動(dòng)的影響范圍越來(lái)越大，且尚未達(dá)到穩(wěn)定的狀態(tài)，以及充填體是非剛性的，可塑性較強(qiáng)，經(jīng)歷的時(shí)間越長(zhǎng)，充填體的累計(jì)壓縮量越大，最終頂板最大下沉量約為1.28 m。

圖6為高充填率下工作面推進(jìn)90 m裂隙發(fā)育情況，采動(dòng)裂隙主要集中在非充填區(qū)域上方，而在充填區(qū)域上方裂隙很少，其主要原因?yàn)樵诔涮铙w的支撐作用下，頂板產(chǎn)生的裂隙不斷被壓實(shí)閉合，越靠近采空區(qū)后方，裂隙越少。相較于傳統(tǒng)垮落法開(kāi)采，充填開(kāi)采下覆巖裂隙發(fā)育高度明顯較低、數(shù)量明顯減少。

圖7為工作面推進(jìn)90 m時(shí)，上方地表處的各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的垂直位移值，地表最大下沉量位于開(kāi)采范圍的中部位置，越是靠近開(kāi)采邊界，地表下沉量越小，且地表最大下沉點(diǎn)位偏向左側(cè)。傳統(tǒng)垮落法開(kāi)采的地表最大下沉值為1.9 m，下沉系數(shù)約為0.76，而采用矸石充填法開(kāi)采的地表最大下沉值為1.4 m，下沉系數(shù)約為0.56。主要原因是在使用矸石充填采空區(qū)后，原覆巖垮落空間被矸石充填體所填充，矸石充填體作為承載覆巖的新支承結(jié)構(gòu)。在被壓實(shí)擠密的過(guò)程中，承載能力不斷提高，進(jìn)一步限制圍巖變形，覆巖層移動(dòng)破壞得到了控制。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

基于上述矸石充填率對(duì)工作面覆巖結(jié)構(gòu)和留巷圍巖的影響分析，在11101工作面上方地表沿著走向布置1條觀測(cè)線，共布置12位移個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，采用全站儀三角高程法進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)。首先選擇1個(gè)不受采動(dòng)影響的點(diǎn)位作為測(cè)量的基準(zhǔn)點(diǎn)，該點(diǎn)距離工作面切眼約40 m處。其次，在工作面推進(jìn)前，對(duì)每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行3次高程測(cè)量取得每個(gè)測(cè)點(diǎn)的高程平均值。最后，待該工作面回采充填完成并且等到覆巖垮落基本穩(wěn)定，再對(duì)每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行3次高程測(cè)量取得每個(gè)測(cè)點(diǎn)的高程平均值。將工作面回采前后每個(gè)測(cè)點(diǎn)的高程做差，得到每個(gè)測(cè)點(diǎn)的地表沉降值。實(shí)踐表明，當(dāng)充填材料的壓實(shí)率與覆巖的移動(dòng)達(dá)到平衡后，采空區(qū)側(cè)頂板沒(méi)有較為明顯的變形，此時(shí)頂板的穩(wěn)定性較高，有利于后續(xù)工作面的開(kāi)采。圖8為沿走向方向布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)所得到地表下沉曲線，所測(cè)得的最大地表下沉值為1.2 m，與上述充填開(kāi)采數(shù)值模擬結(jié)果接近，可見(jiàn)采用矸石充填開(kāi)采對(duì)覆巖穩(wěn)定的控制及防治地表沉降效果顯著。

5 結(jié) 論

（1）通過(guò)對(duì)比分析，矸石充填開(kāi)采相比傳統(tǒng)垮落法開(kāi)采技術(shù)，充填開(kāi)采能夠很大程度上地降低上覆巖層的變形與破壞，有利于上覆巖層的穩(wěn)定性。傳統(tǒng)垮落法開(kāi)采的地表最大下沉值為1.9 m，下沉系數(shù)約為0.76，而采用矸石充填法開(kāi)采的地表最大下沉值為1.4 m，下沉系數(shù)約為0.56。

（2）通過(guò)在11101工作面頂板進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，結(jié)果顯示：在矸石充填開(kāi)采條件下，工作面上方頂板變形不明顯，未出現(xiàn)較大的裂隙，整體較為完整，并通過(guò)沿走向方向布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)所測(cè)得的最大地表下沉值為1.2 m，與上述充填開(kāi)采數(shù)值模擬結(jié)果接近，可見(jiàn)采用矸石充填開(kāi)采能夠有利于控制覆巖的穩(wěn)定性和防治地表沉降，對(duì)后續(xù)的煤礦安全生產(chǎn)具有重大意義。