矸石充填與垮落法混合綜采關鍵技術研究與應用

武月江

（西山煤電集團有限責任公司 西曲礦，山西 太原030053）

0 引 言

我國煤礦資源豐富，但賦存條件較為復雜，在進行高瓦斯低滲透煤層開采時，瓦斯突出危險需要在開采時采取防突措施。目前常見的瓦斯防突開采手段為開采保護層，然而在不適用瓦斯保護層技術的礦井如何實現高瓦斯低滲透煤層的開采研究較少。矸石充填協同垮落法綜合開采技術是在原有采煤機技術基礎上的一種創新，矸石充填協同垮落法綜合開采技術是將矸石充填技術及傳統采煤設備布置在同一工作面的雙重開采技術，可以實現綜采面的高效開采[1-2]，但在矸石充填協同垮落法綜合開采技術運用過程中礦壓顯現及巖層移動是采煤技術得以實現的重要保障[3-4]，以西曲礦18202綜采工作面為研究背景，對矸石充填協同垮落法綜合開采礦壓顯現及巖層移動情況進行研究，為高瓦斯低滲透煤層開采提供一定的參考與借鑒。

1 礦井概況及數值模型建立

西曲礦位于山西太原西山煤田西北邊緣，礦井面積為15.7 km2，礦井設計生產能力為400萬t/a，煤層傾角3°～15°，平均傾角5°，現主要開采8號、9號煤層，井田地質構造簡單，煤層穩定。18202工作面位于北三盤區中部，屬于近水平結構簡單中厚煤層，現主要開采太原組8號煤層，煤層平均厚度3.9 m。作為高瓦斯低透氣煤層沒有合適的煤層保護層。

矸石充填協同垮落開采技術是由兩個部分組成，分別為傳統綜采段和矸石充填綜采段。綜采面主要機械設備布置為公用采煤機、公用刮板輸送機，矸石垮落段布置的機械設備有多孔底卸壓輸送機、液壓支架、機頭機尾升降平臺，傳統開采段布置過渡液壓支架、破碎機、運煤帶式輸送機、轉載機等。矸石充填協同垮落綜采技術可以實現矸石充填與采煤共同作業，具有設備搬家次數少，設備利用率高，煤炭資源浪費少的特點[5-6]。

矸石充填協同垮落法綜合開采覆巖的礦壓特性及覆巖移動特性與很多因素有關，針對西曲礦實際地質情況，利用數值模擬軟件對覆巖的移動及礦壓的特征進行分析。首先進行模型的建立，模型的長寬高分別為640 m×328 m×107 m，完成模型的初步建立后對模型的四周進行約束設置，限制模型四周邊界X、Y、Y三向的位移[7-8]。根據覆巖的容重及埋深計算可得模型上邊界施加的均布載荷為22 MPa，本文選定摩爾-庫倫模型，對模型的物理參數進行設置，模型的物理參數見表1。

表1 模型的物理參數參照Table 1 Physical parameter reference of the model

完成模型物理參數設定后，對模型進行網格劃分，在模型的混合綜采面的頂板位置進行細化分，在距離較遠的位置粗劃分，完成模型網格劃分后共計526 670個單元和566 293個節點，網格劃分模型如圖1所示。

圖1 網格劃分模型Fig.1 Mesh partitioning model

2 數值模擬分析

首先對不同矸石充填段長度下混合綜采覆巖的垂直位移云圖進行模擬，模擬結果如圖2所示。

圖2 不同矸石充填長度下覆巖垂直位移云圖Fig.2 Cloud map of vertical displacement of overburden under different gangue filling lengths

如圖2可以看出，當矸石充填段為100 m時，此時的覆巖最大移動偏離距離綜采面的中心約38 m，此時沿著工作面傾向，頂板巖層的變形量呈現階梯形分布，在矸石充填范圍內的頂板變形量小于垮落段的頂板下沉量，在矸石充填段中心位置的頂板變形量為1.7 m，垮落段的頂板最大變形量為3.08 m，當矸石充填段長度為120 m時，此時覆巖最大移動偏離距離綜采面的中心的距離為50 m，矸石充填段的頂板最大變形量為1.92 m，較矸石充填長度100 m時的最大位移變形減小了0.22 m，在垮落段的最大頂板下沉量為3.06。當矸石充填段長度為150 m時，此時覆巖最大移動偏離距離綜采面的中心的距離為55 m，矸石充填段的頂板最大變形量為2.24 m，較矸石充填長度100 m時的最大位移變形減小了0.54 m，在垮落段的最大頂板下沉量為3.03。對比可以看出，隨著矸石充填長度的增加，在矸石充填段頂板下沉量的最大值有了一定的降低，而垮落段的頂板最大變形量幾乎不發生變化。同時對比發現隨著矸石充填長度的增加，覆巖最大移動偏離距離綜采面的中心的距離逐步增加[9]。對不同矸石充填長度下頂板的應力情況進行研究，不同矸石充填長度下頂板應力曲線如圖3所示。

圖3 不同矸石充填長度下頂板的應力云圖Fig.3 Stress cloud diagram of roof with different gangue filling lengths

從圖3可以看出，隨著矸石充填長度的增大，18202綜采工作面的上覆巖應力整體呈現下降的趨勢，且垮落段頂板應力明顯小于矸石充填段應力值，當矸石充填長度為100 m時，此時的矸石充填段頂板的應力平均值為13.3 MPa，垮落段的應力均值為6.87 MPa，矸石充填段應力均值與垮落段應力均值的比值為1.94。當矸石充填長度為120 m時，此時的矸石充填段頂板的應力平均值為13.02 MPa，垮落段的應力均值為6.38 MPa，矸石充填段應力均值與垮落段應力均值的比值為2.04。當矸石充填長度為150 m時，此時的矸石充填段頂板的應力平均值為12.44 MPa，垮落段的應力均值為4.62 MPa，矸石充填段應力均值與垮落段應力均值的比值為2.69。對比分析發現，隨著矸石充填段長度的增加，矸石充填段頂板應力均值有了一定的減小，垮落段頂板的應力均值也逐步降低，兩者的比值呈現增大的趨勢，同時增加矸石充填段長度對垮落段影響效果較大[10]。

選定充填段長度為120 m，對不同充填高度下頂板應力進行分析，充填高度分別為1.6、1.98、3.2 m，頂板應力曲線如圖4所示。

圖4 不同充填高度下頂板應力曲線Fig.4 Roof stress curve under different filling heights

從圖4可以看出，當充填高度為1.6 m時，此時充填段頂板的應力均值為11.52 MPa，垮落段的應力均值為7.01 MPa，充填段頂板應力均值與垮落段應力均值的比值為1.64。當充填高度為1.98 m時，充填段頂板的應力均值為13.02 MPa，垮落段的應力均值為6.38 MPa，充填段頂板應力均值與垮落段應力均值的比值為2.04。當充填高度為3.2 m時，此時充填段頂板的應力均值為14.08 MPa，垮落段的應力均值為6.0 MPa，充填段頂板應力均值與垮落段應力均值的比值為2.35。對比發現隨著充填高度的增加，充填段的頂板應力均值逐步增大，而垮落段的應力均值減小，在充填段長度一定的情況下，充填高度越大，垮落段應力越小，充填段應力越大。

4 結 論

（1）隨著矸石充填長度的增加，在矸石充填段頂板下沉量的最大值有了一定的降低，而垮落段的頂板最大變形量幾乎不發生變化。同時覆巖最大移動偏離距離綜采面的中心的距離逐步增加。

（2）隨著矸石充填段長度的增加，矸石充填段頂板應力均值有了一定的減小，垮落段頂板的應力均值也逐步降低，兩者的比值呈現增大的趨勢。

（3）在充填長度一定的前提下，隨著充填高度的增加，充填段的頂板應力均值逐步增大，而垮落段的應力均值減小。