膏體充填工作面圍巖應力變化規律模擬分析

初紹飛

(潞安環能股份公司 漳村煤礦，山西 長治 046032)

近年來，隨著煤炭資源的大量開采，隨之帶來的“三下”壓煤問題和環境問題越來越突出。膏體充填作為一種綠色開采方法，對于煤層采后造成的地面沉陷，地表生態破壞等問題可有效進行控制[1-3]。

膏體充填技術就是將煤矸石、粉煤灰、膠結料混合成膏體狀漿體，并泵送到采煤工作面，對采空區進行充填。這個過程中，工作面的覆巖結構的變化對膏體充填工作的效果至關重要。本文結合五一煤礦的實際，對膏體充填工作面的覆巖應力移動變化規律進行分析。

1 工程概況

五一礦位于沁水煤田西緣，霍山隆起之東翼。由于受霍山經向構造帶影響，本井田總體構造形態為軸向近南北的背向斜構造，地層傾角10～15°。未發現巖漿巖侵入現象。井田構造總體屬簡單類型。井田地處太岳山區，地表為山區侵蝕地貌，溝谷縱橫，地形比較復雜，總的地勢為西高東低，北高南低，地形最高點為井田西部山梁上，標高為1 390.4 m，地形最低點為井田西南角邊界處，標高為1 165.0 m，相對高差225.4 m。屬中山區。

11102工作面作為五一礦膏體充填試驗工作面，位于該礦井田西南位置。工作面開采11號煤層，煤層厚度穩定，煤厚2.01～3.00 m，平均2.71 m。煤厚傾角平均5°，煤層平均埋深450 m。

2 數值模擬

以五一煤礦11102工作面膏體充填工藝為研究基礎，對膏體充填回采圍巖應力分布規律進行數值模擬研究，根據現場實際地質生產條件建立模型，分析工作面應力分布規律及主要影響因素，為膏體充填留巷圍巖穩定性控制提供基礎數據。

模擬工作面走向長度200 m，傾斜寬度140 m，高70 m，工作面兩邊各加邊界30 m，建立的模型尺寸為208 m×200 m×70 m，如圖1所示，模型兩邊位移約束，模型底部固定，模型上部邊界施加均布載荷11.25 MPa。模型中煤巖體的物理力學參數以實驗室煤巖樣力學測試試驗為準，煤巖體物理力學參數見表1。

表1 圍巖力學參數

圖1 數值模擬模型

具體模擬方案為：

1) 對不同充填率為80%、85%、90%、95%時膏體充填工作面圍巖應力分布情況進行模擬研究，分析不同膏體充填率對圍巖應力分布的影響；

2) 為了使模擬工作面符合實際情況，模型開挖過程中，充填步距設為4 m，即工作面采五刀煤，進行一次充填；充填過程滯后采煤工作面兩個充填步距，即8 m。

3 模擬結果分析

采用同一配比參數的充填料漿對采空區進行不同程度的充填，充填率分別為80%、85%、90%和95%，工作面推進距離為100 m，分析比較工作面圍巖應力分布情況、峰值大小及峰值到煤壁的距離，以及不同充填率時充填體的受力情況。模擬結果如圖2、圖3所示。

圖2 不同充填率時工作面煤壁前方應力分布曲線

圖3 不同充填率時工作面充填體受力分布曲線

由圖2和圖3可以看出：

1) 支承壓力曲線在工作面前方出現峰值，且充填率越高，峰值越小，離煤壁距離越近，充填率從80%升至95%，支承壓力峰值對應從24.7 MPa下降至18.6 MPa，距煤壁距離從5.5 m降至4.0 m，充填率越高，應力集中越不明顯。

2) 不同充填率時，靠近工作面的充填體應力值較低，僅為2～4 MPa；充填體應力隨充填體距工作面的距離，表現為一條遞增曲線，逐漸增加到原巖應力后保持平穩，期間并不出現峰值。這是由于充填體的強度從剛開始充填然后達到其最終強度需要有一個時間的過程，并且其最終強度也低于煤體強度的緣故。

3) 充填率越大，采空區充填體上支承壓力最大值越小。采空區頂板未發生破斷，無周期性來壓導致充填體無應力集中，表明充填體能夠有效控制頂板垮落、破斷。

由上述分析可知，當充填率達到95%的情況下，膏體充填體具有足夠的承載能力有效控制充填工作面上方頂板巖層的活動，由于采空區充填膏體的承載作用，直接頂并不垮落，進而有效控制了頂板關鍵層的下沉運移。由此分析得出，工作面在膏體充填率高時巖層運動以彎曲下沉為主，上覆巖層大結構受影響較小，并不發生破斷，只在膏體工作面上方直接頂出現一定高度的裂隙和破壞，使得膏體充填工作面周圍煤幫和充填體受到影響較小，煤巖體內應力集中系數不大，而且受采動影響的范圍不大。

4 結 語

1) 膏體充填技術可有效降低工作面的應力集中，減免巖層的下沉移動，控制覆巖結構的破壞，且充填率越高，效果越明顯。

2) 膏體充填開采可有效控制地表沉陷，減少采區建(構)筑物及地表農田植被的破壞，社會經濟效益顯著，對維護礦區生態環境具有重要意義。