部分充填法在薄基巖煤層開采中可行性分析

李世輝

（淮南礦業集團，安徽 淮南 232001）

充填開采方法為現代綠色開采方法中的一種，對礦區減少塌陷具有積極的影響，但由于現代技術裝備還無法滿足大規模開采的要求，近幾年來國內學者提出了部分充填開采方法。淮南礦區薄基巖煤層存在埋藏淺、開采成本低等優點，且煤質也較好，因此淮南礦業集團選取了數十個工作面進行提高開采上限試驗。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，開采上限工作面時常發生壓架出水現象，給生產安全造成了隱患。針對此問題，以淮南礦區顧北煤礦薄基巖1332（1）工作面為背景，開展部分充填開采在薄基巖煤層中的適應性研究，以期為薄基巖煤層開采提供技術支持。

1 工程背景

1332(1 )回采工作面地表標高為+21m，工作面標高為-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°，結構復雜，煤層最大厚度為4.9m，最小為2.1m，平均3.9m，煤層發育穩定，局部存在變薄區。工作面采用傾斜長壁開采法開采，工作面切眼至前方70m區域為薄基巖區域，即只對工作面充填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 部分充填開采的數值模擬分析

2.1 模擬方案

選取工作面開采高度3m，開采寬度180m，FLAC3D三維模型進行充填法開采，模型尺寸長、寬、高為340×300×150m，根據模型上部邊界的埋深，在模型上部邊界施加8MPa載荷進行補償，以模擬煤層所處的真實環境，其余5面邊界均采用位移約束。

（1）工作面每次回采5m，且等到模型計算平衡后再進行充填，以模擬真實的充填環境。

（2）在模擬中，充填率按0.95，充填體強度按煤體的0.1倍考慮。

2.2 模擬結果分析

為了凸顯部分充填開采效果，將工作面采用垮落法時的礦山壓力顯現特征與充填時的礦壓顯現特征進行對比分析。

（1）塑性區高度對比

工作面推進70m時垮落法開采與部分充填法開采走向覆巖塑性區分布規律如圖2所示，表1為垮落法開采與充填法開采覆巖破壞高度的對比。

圖2 覆巖塑性區分布圖

表1 破壞高度統計表

由圖2及表1可知，初始回采20m時，垮落法開采與部分充填開采的破壞高度分別為13.3m及10.5m；當工作面回采30m時，垮落法與充填法覆巖破壞高度分別為17.4m、12.9m。此后隨著開采的進行，垮落法開采時的覆巖破壞高度一直增加，當回采至60m時，覆巖破壞高度達到23.8m，此時工作面還處于薄基巖區域，覆巖破壞高度較大，此時與其上方的第四系松散含水層聯通的幾率增加，易發生出水事故。而采用部分充填開采時，由于工作面將煤層開采出來，后又進行了充填，工作面上方的覆巖沒有移動空間，所以覆巖破壞高度較小，此時能夠保證工作面的生產安全。

（2）垂直應力對比分析

隨著回采的進行，采空區逐漸增大，采空區頂板破斷之后，采場圍巖應力會重新分布，圖3為工作面推進70m時垮落法開采與充填法開采走向覆巖垂直應力分布規律。

由圖3可知，當薄基巖煤層采用垮落法開采時，工作面超前支承壓力峰值為26.6MPa，而當薄基巖煤層采用部分充填開采方法時工作面超前支承壓力峰值為21.7MPa，這是因為工作面采用垮落法管理頂板時，采空區上方頂板回轉空間較大，其超前支承壓力也較大，而充填法控制頂板時，由于對采空區進行了充填，采空區上方的頂板自由活動空間相對較小，其頂板回轉幅度也較小，所以其超前支承壓力也較小。由此可以看出垮落法開采采場礦壓顯現劇烈程度明顯高于部分充填開采法。

圖3 覆巖垂直應力分布圖

當薄基巖煤層開采采用傾斜長壁布置方式時，對開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，從而降低了導水裂隙帶溝通第四系松散含水層的幾率，并且礦壓顯現程度也相對平緩，從而可以避免壓架現象的發生。同時，當工作面進入基巖較厚區域時再采用自然垮落法管理頂板，保證整個工作面回采期間的出煤效率。

3 結論

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

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

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