杜家溝礦充填垮落法高效開采技術(shù)研究

謝建生

（霍州煤電集團(tuán)河津杜家溝礦有限責(zé)任公司，山西霍州 031400）

1 概述

我國煤礦資源豐富，但賦存條件較為復(fù)雜，在進(jìn)行高瓦斯低滲透煤層開采時(shí)，由于瓦斯突出的危險(xiǎn)需要在開采時(shí)采取防突的措施。目前常見的瓦斯防突開采手段為開采保護(hù)層，然而在不適用瓦斯保護(hù)層技術(shù)的礦井如何實(shí)現(xiàn)高瓦斯低滲透煤層的開采研究較少。矸石充填協(xié)同垮落法綜合開采技術(shù)是在原有采煤機(jī)技術(shù)基礎(chǔ)上的一種創(chuàng)新，矸石充填協(xié)同垮落法綜合開采技術(shù)是將矸石充填技術(shù)及傳統(tǒng)采煤設(shè)備布置在同一工作面的雙重開采技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)綜采面的高效開采，但在矸石充填協(xié)同垮落法綜合開采技術(shù)運(yùn)用過程中礦壓顯現(xiàn)及巖層移動是采煤技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)的重要保障[1-2]。為此，本文以杜家溝礦2-102工作面為研究背景，對矸石充填協(xié)同垮落法綜合開采礦壓顯現(xiàn)及巖層移動情況進(jìn)行研究，為高瓦斯低滲透煤層開采提供一定的參考與借鑒。

2 礦井概況及模型建立

杜家溝礦位于山西河津市清澗鎮(zhèn)西北3km，礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力60×104t/a，2-105工作面主要開采2#、10#煤層，開采深度標(biāo)高為+840～+600m,井田呈不規(guī)則多邊形，南北長4.6km，東西寬4.5km，面積9.89km2。為解決高瓦斯低滲透煤層開采困難的難題，2-102工作面采用矸石充填協(xié)同垮落法綜合開采技術(shù)。

矸石充填協(xié)同垮落開采技術(shù)是由兩個(gè)部分組成，分別為傳統(tǒng)綜采段和矸石充填綜采段。綜采面主要機(jī)械設(shè)備布置為公用采煤機(jī)、公用刮板輸送機(jī)，矸石垮落段布置的機(jī)械設(shè)備有多孔底卸壓輸送機(jī)、液壓支架、機(jī)頭機(jī)尾升降平臺，傳統(tǒng)開采段布置過渡液壓支架、破碎機(jī)、運(yùn)煤帶式輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)等。矸石充填協(xié)同垮落綜采技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)矸石充填與采煤共同作業(yè)，具有設(shè)備搬家次數(shù)少、設(shè)備利用率高、煤炭資源浪費(fèi)少的特點(diǎn)[3]。

矸石充填協(xié)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(guān)，針對杜家溝礦實(shí)際地質(zhì)情況，利用數(shù)值模擬軟件對覆巖的移動及礦壓的特征進(jìn)行分析。首先進(jìn)行模型的建立，模型的長寬高分別為640m×328m×107m，完成模型的初步建立后對模型的四周進(jìn)行約束設(shè)置，限制模型四周邊界X、Y、Y三向的位移。根據(jù)覆巖的容重及埋深計(jì)算可得模型上邊界施加的均布載荷為22MPa，本文選定摩爾—庫倫模型，對模型的物理參數(shù)進(jìn)行設(shè)置[4]。模型的物理參數(shù)參照表如表1所示。

表1 模型的物理參數(shù)參照表

完成模型物理參數(shù)設(shè)定后，對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在模型的混合綜采面的頂板位置進(jìn)行細(xì)化分，在距離較遠(yuǎn)的位置粗劃分，完成模型網(wǎng)格劃分后共計(jì)526670個(gè)單元和566293個(gè)節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)格劃分模型如圖1所示。

圖1 網(wǎng)格劃分模型圖

3 數(shù)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(jìn)行模擬，模擬結(jié)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

由圖2可以看出，當(dāng)矸石充填段為100m時(shí)，此時(shí)的覆巖最大移動偏離距離綜采面的中心約38m，此時(shí)沿著工作面傾向，頂板巖層的變形量呈現(xiàn)階梯形分布，在矸石充填范圍內(nèi)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1.7m，垮落段的頂板最大變形量為3.08m，當(dāng)矸石充填段長度為120m時(shí)，此時(shí)覆巖最大移動偏離距離綜采面的中心的距離為50m，矸石充填段的頂板最大變形量為1.92m，較矸石充填長度100m時(shí)的最大位移變形減小了0.22m，在垮落段的最大頂板下沉量為3.06。當(dāng)矸石充填段長度為150m時(shí)，此時(shí)覆巖最大移動偏離距離綜采面的中心的距離為55m，矸石充填段的頂板最大變形量為2.24m，較矸石充填長度100m時(shí)的最大位移變形減小了0.54m，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(fā)生變化。同時(shí)對比發(fā)現(xiàn)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。

對不同矸石充填長度下頂板的應(yīng)力情況進(jìn)行研究，不同矸石充填長度下頂板應(yīng)力曲線如圖3所示。

從圖3可以看出，隨著矸石充填長度的增大，綜采面的覆巖應(yīng)力整體呈現(xiàn)下降的趨勢，且垮落段頂板應(yīng)力明顯小于矸石充填段應(yīng)力值，當(dāng)矸石充填長度為100m時(shí)，此時(shí)的矸石充填段頂板的應(yīng)力平均值為13.3MPa，垮落段的應(yīng)力均值為6.87MPa，矸石充填段應(yīng)力均值與垮落段應(yīng)力均值的比值為1.94。當(dāng)矸石充填長度為120m時(shí)，此時(shí)的矸石充填段頂板的應(yīng)力平均值為13.02MPa，垮落段的應(yīng)力均值為6.38MPa，矸石充填段應(yīng)力均值與垮落段應(yīng)力均值的比值為2.04。當(dāng)矸石充填長度為150m時(shí)，此時(shí)的矸石充填段頂板的應(yīng)力平均值為12.44MPa，垮落段的應(yīng)力均值為4.62MPa，矸石充填段應(yīng)力均值與垮落段應(yīng)力均值的比值為2.69。對比分析發(fā)現(xiàn)，隨著矸石充填段長度的增加，矸石充填段頂板應(yīng)力均值有了一定的減小，垮落段頂板的應(yīng)力均值也逐步降低，兩者的比值呈現(xiàn)增大的趨勢，同時(shí)增加矸石充填段長度對垮落段影響效果較大[5]。

圖3 不同矸石充填長度下頂板的應(yīng)力云圖

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

圖4 不同充填高度下頂板應(yīng)力曲線

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

4 結(jié)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(fā)生變化。同時(shí)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(yīng)力均值有了一定的減小，垮落段頂板的應(yīng)力均值也逐步降低，兩者的比值呈現(xiàn)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(yīng)力均值逐步增大，而垮落段的應(yīng)力均值減小。