充填采煤工作面頂板穩定性研究

馮超　王軍偉　劉高林

【摘 要】以榆陽煤礦風積砂似膏體充填采煤為工程背景，分析了工作面頂板穩定性控制系統及各要素支護特性，利用FLAC3D確定了影響頂板穩定性的3個因素的參考值，并應用于工程實踐。結果表明：在充填體強度達到4MPa，充填步距為6m，充實率達到90%以上，充填體控制工作面頂板穩定效果良好。

【關鍵詞】風積砂似膏體；工作面頂板；穩定性控制；數值模擬

中圖分類號： TD353 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）30-0232-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.30.103

榆陽煤礦摒棄傳統垮落法開采形式，在2307工作面首次采用高流動性風積砂似膏體充填材料，成功地進行了風積砂似膏體充填采煤的工業化試驗，為西北地區保水開采技術提供參考和借鑒[1～3]。

實踐過程中，工作面直接頂因局部垮落造成封閉空間設置失敗時有發生，嚴重影響充填開采生產效率的提高。因此，本文揭示工作面頂板失穩機理，利用數值模擬方法，研究并確定了頂板穩定的影響因素參考值，對豐富充填采煤控制覆巖移動理論和指導充填開采實踐具有重大意義。

1 工作面頂板控制系統

充-采循環作業是工作面在支架的掩護下，前端采煤機割煤推進，支架后方留設一定寬度充填步距，內部支設柔性模板布，形成封閉空間，并輸入充填料漿，泌水硬化，充填體達到一定強度后，支架前移，進行下一個循環。充填采煤循環作業如圖1所示。

工作面頂板控制系統由工作面前方及側方煤體，控頂區支架，充填體三部分組成，其中實體煤在超前支承壓力作用下，實體煤產生水平位移，淺部煤體塑性破壞，支撐強度降低，致使充填頂板變形量增大；在支架后方待充區未充填，后方充填體強度低，難以形成有效支承的情況下，液壓支架承擔巨大的支撐強度；充填體對工作面頂板的控制以通過調整充填料漿配比，提高充填體的密實度和強度，同時改善施工工藝，增加充填體的充實率。同時，三部分之間也存在著相互作用關系，共同維持頂板整體穩定。

2 穩定性模擬分析

選取充填工作面的充實率、充填體強度、充填步距三個指標進行模擬分析。

2.1 工程地質條件

榆陽煤礦2307充填工作面北鄰2301連采充填工作面，東臨回風巷，南側為未采區、西側邊界煤柱。工作面寬度為150m，走向長1149m，煤層厚度平均3.5m，埋深平均190m～198m，支架控頂區寬度6m。

2.2 穩定性影響因素分析

（1）充實率

充填體強度4MPa，充填步距為6m，不同充實率條件下，工作面頂板下沉量如圖2所示。

由圖2可知，實體煤和支架控頂作用明顯，頂板下沉量小，受充實率的影響小。充填體控頂作用受充實率影響明顯，頂板下沉量隨著充實率的增大而降低，當充實率為60%，70%，80%，90%，95%，100%時，待充區工作面頂板下沉量分別為1m，0.78m，0.55m，0.33m，0.20m，0.11m。充實率受材料特性、工藝等因素影響，一般充實率達到90%以上可以滿足工作面所能承受頂板下沉量的要求。

（2）充填體強度

充實率為90%，充填步距為6m，不同充填體強度條件下，工作面頂板下沉量如圖3所示。

由圖3可知：煤層和控頂區內頂板下沉量小，可見實體煤和支架控頂作用明顯。工作面頂板下沉量隨充填體強度增加而降低，充填體強度為2MPa，3MPa，4MPa，5MPa，6MPa時，待充區內頂板最大下沉量為0.164m，0.150m，0.142m，0.138m，0.135m，0.132m，可見強度越大，對頂板控制作用越明顯。強度與充填體配比有密切聯系，可通過調整充填料漿的配合比增加強度，同時強度越高，充填成本越高，綜合考慮取充填體強度值為4MPa。

（3）充填步距

充填體強度4MPa，充實率90%，不同充填步距條件下，工作面頂板下沉量如圖4所示。

由圖4可知，工作面頂板下沉量隨充填步距的增大而增大，充填步距為2m，4m，6m，7m，8m時，待充區頂板最大下沉量分別為0.22m，0.28m，0.33m，0.35m，0.37m。可見充填步距的寬度對整個充填頂板的下沉量影響較小。充填步距影響整個礦區充填速率，步距越寬充填速率越大。綜合考慮，確定充填步距為6m。

根據數值模擬結果確定了控制工作面頂板穩定的充填體三個影響指標的參考值，即充填體強度為4MPa，充填步距為6m，充實率為90%以上可實現對工作面穩定性控制。

3 工程應用

榆陽煤礦采用風積砂似膏體充填材料充填采空區，其中在材料配比中，添加一定比例的輔料，在發生反應后形成一定量氣體，使充填體微膨脹，保證充實率高達98.5%，滿足充實率90%以上要求[4]。對充填體不同循環的充填體進行單軸抗壓強度測試，14d平均強度增長至4.65MPa，28d強度穩定在5MPa以上。對頂板進行監測，反饋充填工作面對充填步距進行動態調整，維持充填步距至6.4m。通過對待充區頂板進行監測表明，待充區頂板下沉量最大值為0.256m，工作面頂板呈穩定態勢。

4 結論

（1）提出風積砂似膏體充填采煤工作面頂板控制系統，即實體煤、液壓支架、充填體協同控制。

（2）數值模擬結果表明當充填體強度4MPa，充填步距6m，充實率90%以上對工作面頂板控制作用效果明顯，并指導工程實踐，監測待充區下沉量最大值0.256m，工作面呈穩定態勢。

【參考文獻】

[1]錢鳴高，繆協興，許家林.資源與環境協調（綠色）開采[J].煤炭學報，2007，32（1）：1-7.

[2]胡炳南.我國煤礦充填開采技術及其發展趨勢[J].煤炭科學技術，2012，40（11）：1-5，18.

[3]孫凱華，劉鵬亮，孫萬明，等.風積沙似膏體煤礦充填材料的研究及應用[J].金屬礦山，2016（ 4）：172-176.