基于矸石充填技術的急傾斜煤層頂板控制研究

王 鵬 高常領

(攀枝花煤業（集團）有限責任公司， 四川 攀枝花 617066）

煤炭作為我國的主要能源，對我國經濟和社會的發展起著至關重要的作用，因此，對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與緩傾斜煤層存在較大的區別，進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生頂板失穩冒落事故，因此對復雜條件下急傾斜煤層的頂板控制技術的研究對于礦井安全開采起著至關重要的作用。在矸石充填控制頂板的穩定性方面，煤礦科研工作者從數值模擬、相似材模擬、現場實踐等多個角度對其進行了分析探討，這些研究表明充填對頂板的控制作用是顯著的，對指導急傾斜煤層開采矸石充填技術的應用具有重要意義[3-6]。

本文以攀煤集團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模型及矸石充填對頂板控制的影響，設計了一套具體的矸石充填工藝流程，并進行頂底板變形監測，說明矸石充填對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模型

1.1 頂板力學模型構建

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，直接頂跨落，矸石自下而上充填采空區；隨著工作面的進一步推進，基本頂開始彎曲下沉壓縮采空區矸石，矸石對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構力學模型

當埋深為H、巖層平均容重為γ時：

式中：

qh-覆巖自重應力，N/m2；

qv-水平應力，N/m2；

qv1-水平作用力的均布分布部分，N/m2；

L-采空區斜長，m；

l-充填區長度，m；

k-矸石對頂板作用力的分布系數，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-矸石充填區頂板撓度，m；

ω2-未充填區頂板撓度，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、采煤方法等對頂板的應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。

根據急傾斜條件下的矸石充填頂板力學模型及相關研究，充填開采對頂板法向、切向及剪切應力具有明顯的降低作用，有利于頂板的穩定性，進而提高急傾斜煤層開采過程的安全系數。

2 工程實例

2.1 工程概況

攀煤集團太平煤礦的+700m水平北一采區地質條件復雜，采區內斷層較多，屬不穩定巖層。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過程中懸露的頂板面積過大，導致頂板跨落的矸石塊較大，不利于充填，設計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術會議上的急傾斜開采方面的研究學者對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測曲線進行了驗證[7]，如圖4所示。

隨著測點與工作面的距離增大，頂底板移近量也隨著增大，并且增大的趨勢逐漸變緩；頂板移近量的變化趨勢基本上可以分為迅速變形、緩慢變形和變形穩定三個階段；當距離工作面50m左右時，頂底板移近量開始趨于平緩，并且接近最大值60mm，此變形量在允許的范圍內，不會對正常開采作業造成影響，充填效果較好。

圖4 采空區處監測到的頂底板移近量

3 結語

矸石充填技術對急傾斜煤層頂板控制作用的影響是顯著的，不僅對頂底板具有較好的控制作用，其充填工藝本身也具有綠色、環保的理念，具有積極的推廣價值。