李世輝

（淮南礦業(yè)集團(tuán)，安徽 淮南 232001）

充填開(kāi)采方法為現(xiàn)代綠色開(kāi)采方法中的一種，對(duì)礦區(qū)減少塌陷具有積極的影響，但由于現(xiàn)代技術(shù)裝備還無(wú)法滿(mǎn)足大規(guī)模開(kāi)采的要求，近幾年來(lái)國(guó)內(nèi)學(xué)者提出了部分充填開(kāi)采方法?；茨系V區(qū)薄基巖煤層存在埋藏淺、開(kāi)采成本低等優(yōu)點(diǎn)，且煤質(zhì)也較好，因此淮南礦業(yè)集團(tuán)選取了數(shù)十個(gè)工作面進(jìn)行提高開(kāi)采上限試驗(yàn)。但是薄基巖煤層上方賦存有第四系含水層，在松散含水層作用下，開(kāi)采上限工作面時(shí)常發(fā)生壓架出水現(xiàn)象，給生產(chǎn)安全造成了隱患。針對(duì)此問(wèn)題，以淮南礦區(qū)顧北煤礦薄基巖1332（1）工作面為背景，開(kāi)展部分充填開(kāi)采在薄基巖煤層中的適應(yīng)性研究，以期為薄基巖煤層開(kāi)采提供技術(shù)支持。

1 工程背景

1332(1 )回采工作面地表標(biāo)高為+21m，工作面標(biāo)高為-450～ -542.2m。工作面剖面如圖1所示。工作面所采煤層為11-2煤層，煤層傾角3～7°，平均5°，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，煤層最大厚度為4.9m，最小為2.1m，平均3.9m，煤層發(fā)育穩(wěn)定，局部存在變薄區(qū)。工作面采用傾斜長(zhǎng)壁開(kāi)采法開(kāi)采，工作面切眼至前方70m區(qū)域?yàn)楸』鶐r區(qū)域，即只對(duì)工作面充填70m，后隨著基巖的變厚，充填終止，采用頂板自然垮落法。

圖1 工作面剖面圖

2 部分充填開(kāi)采的數(shù)值模擬分析

2.1 模擬方案

選取工作面開(kāi)采高度3m，開(kāi)采寬度180m，F(xiàn)LAC3D三維模型進(jìn)行充填法開(kāi)采，模型尺寸長(zhǎng)、寬、高為340×300×150m，根據(jù)模型上部邊界的埋深，在模型上部邊界施加8MPa載荷進(jìn)行補(bǔ)償，以模擬煤層所處的真實(shí)環(huán)境，其余5面邊界均采用位移約束。

（1）工作面每次回采5m，且等到模型計(jì)算平衡后再進(jìn)行充填，以模擬真實(shí)的充填環(huán)境。

（2）在模擬中，充填率按0.95，充填體強(qiáng)度按煤體的0.1倍考慮。

2.2 模擬結(jié)果分析

為了凸顯部分充填開(kāi)采效果，將工作面采用垮落法時(shí)的礦山壓力顯現(xiàn)特征與充填時(shí)的礦壓顯現(xiàn)特征進(jìn)行對(duì)比分析。

（1）塑性區(qū)高度對(duì)比

工作面推進(jìn)70m時(shí)垮落法開(kāi)采與部分充填法開(kāi)采走向覆巖塑性區(qū)分布規(guī)律如圖2所示，表1為垮落法開(kāi)采與充填法開(kāi)采覆巖破壞高度的對(duì)比。

圖2 覆巖塑性區(qū)分布圖

表1 破壞高度統(tǒng)計(jì)表

由圖2及表1可知，初始回采20m時(shí)，垮落法開(kāi)采與部分充填開(kāi)采的破壞高度分別為13.3m及10.5m；當(dāng)工作面回采30m時(shí)，垮落法與充填法覆巖破壞高度分別為17.4m、12.9m。此后隨著開(kāi)采的進(jìn)行，垮落法開(kāi)采時(shí)的覆巖破壞高度一直增加，當(dāng)回采至60m時(shí)，覆巖破壞高度達(dá)到23.8m，此時(shí)工作面還處于薄基巖區(qū)域，覆巖破壞高度較大，此時(shí)與其上方的第四系松散含水層聯(lián)通的幾率增加，易發(fā)生出水事故。而采用部分充填開(kāi)采時(shí)，由于工作面將煤層開(kāi)采出來(lái)，后又進(jìn)行了充填，工作面上方的覆巖沒(méi)有移動(dòng)空間，所以覆巖破壞高度較小，此時(shí)能夠保證工作面的生產(chǎn)安全。

（2）垂直應(yīng)力對(duì)比分析

隨著回采的進(jìn)行，采空區(qū)逐漸增大，采空區(qū)頂板破斷之后，采場(chǎng)圍巖應(yīng)力會(huì)重新分布，圖3為工作面推進(jìn)70m時(shí)垮落法開(kāi)采與充填法開(kāi)采走向覆巖垂直應(yīng)力分布規(guī)律。

由圖3可知，當(dāng)薄基巖煤層采用垮落法開(kāi)采時(shí)，工作面超前支承壓力峰值為26.6MPa，而當(dāng)薄基巖煤層采用部分充填開(kāi)采方法時(shí)工作面超前支承壓力峰值為21.7MPa，這是因?yàn)楣ぷ髅娌捎每迓浞ü芾眄敯鍟r(shí)，采空區(qū)上方頂板回轉(zhuǎn)空間較大，其超前支承壓力也較大，而充填法控制頂板時(shí)，由于對(duì)采空區(qū)進(jìn)行了充填，采空區(qū)上方的頂板自由活動(dòng)空間相對(duì)較小，其頂板回轉(zhuǎn)幅度也較小，所以其超前支承壓力也較小。由此可以看出垮落法開(kāi)采采場(chǎng)礦壓顯現(xiàn)劇烈程度明顯高于部分充填開(kāi)采法。

圖3 覆巖垂直應(yīng)力分布圖

當(dāng)薄基巖煤層開(kāi)采采用傾斜長(zhǎng)壁布置方式時(shí)，對(duì)開(kāi)采上限部分采用充填方式管理頂板，覆巖破壞高度能夠大幅度的減小，從而降低了導(dǎo)水裂隙帶溝通第四系松散含水層的幾率，并且礦壓顯現(xiàn)程度也相對(duì)平緩，從而可以避免壓架現(xiàn)象的發(fā)生。同時(shí)，當(dāng)工作面進(jìn)入基巖較厚區(qū)域時(shí)再采用自然垮落法管理頂板，保證整個(gè)工作面回采期間的出煤效率。

3 結(jié)論

（1）薄基巖煤層采用部分充填開(kāi)采方法能夠大幅度減小采空區(qū)覆巖破壞高度，避免導(dǎo)水裂隙帶的貫通，從而可以減小出水幾率；

（2）薄基巖煤層采用部分充填開(kāi)采方法相較于垮落法開(kāi)采時(shí)的超前支承壓力也大幅度降低，垮落法最大支承壓力26.6MPa，而部分充填開(kāi)采方法為21.7MPa；

（3）薄基巖煤層開(kāi)采時(shí)采用傾斜長(zhǎng)壁布置方式，采用部分充填方法既減小了壓架出水幾率，又保證了開(kāi)采效率。