充填采煤工作面頂板穩(wěn)定性研究

馮超　王軍偉　劉高林

【摘 要】以榆陽煤礦風(fēng)積砂似膏體充填采煤為工程背景，分析了工作面頂板穩(wěn)定性控制系統(tǒng)及各要素支護(hù)特性，利用FLAC3D確定了影響頂板穩(wěn)定性的3個(gè)因素的參考值，并應(yīng)用于工程實(shí)踐。結(jié)果表明：在充填體強(qiáng)度達(dá)到4MPa，充填步距為6m，充實(shí)率達(dá)到90%以上，充填體控制工作面頂板穩(wěn)定效果良好。

【關(guān)鍵詞】風(fēng)積砂似膏體；工作面頂板；穩(wěn)定性控制；數(shù)值模擬

中圖分類號(hào)： TD353 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2018）30-0232-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.30.103

榆陽煤礦摒棄傳統(tǒng)垮落法開采形式，在2307工作面首次采用高流動(dòng)性風(fēng)積砂似膏體充填材料，成功地進(jìn)行了風(fēng)積砂似膏體充填采煤的工業(yè)化試驗(yàn)，為西北地區(qū)保水開采技術(shù)提供參考和借鑒[1～3]。

實(shí)踐過程中，工作面直接頂因局部垮落造成封閉空間設(shè)置失敗時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重影響充填開采生產(chǎn)效率的提高。因此，本文揭示工作面頂板失穩(wěn)機(jī)理，利用數(shù)值模擬方法，研究并確定了頂板穩(wěn)定的影響因素參考值，對(duì)豐富充填采煤控制覆巖移動(dòng)理論和指導(dǎo)充填開采實(shí)踐具有重大意義。

1 工作面頂板控制系統(tǒng)

充-采循環(huán)作業(yè)是工作面在支架的掩護(hù)下，前端采煤機(jī)割煤推進(jìn)，支架后方留設(shè)一定寬度充填步距，內(nèi)部支設(shè)柔性模板布，形成封閉空間，并輸入充填料漿，泌水硬化，充填體達(dá)到一定強(qiáng)度后，支架前移，進(jìn)行下一個(gè)循環(huán)。充填采煤循環(huán)作業(yè)如圖1所示。

工作面頂板控制系統(tǒng)由工作面前方及側(cè)方煤體，控頂區(qū)支架，充填體三部分組成，其中實(shí)體煤在超前支承壓力作用下，實(shí)體煤產(chǎn)生水平位移，淺部煤體塑性破壞，支撐強(qiáng)度降低，致使充填頂板變形量增大；在支架后方待充區(qū)未充填，后方充填體強(qiáng)度低，難以形成有效支承的情況下，液壓支架承擔(dān)巨大的支撐強(qiáng)度；充填體對(duì)工作面頂板的控制以通過調(diào)整充填料漿配比，提高充填體的密實(shí)度和強(qiáng)度，同時(shí)改善施工工藝，增加充填體的充實(shí)率。同時(shí)，三部分之間也存在著相互作用關(guān)系，共同維持頂板整體穩(wěn)定。

2 穩(wěn)定性模擬分析

選取充填工作面的充實(shí)率、充填體強(qiáng)度、充填步距三個(gè)指標(biāo)進(jìn)行模擬分析。

2.1 工程地質(zhì)條件

榆陽煤礦2307充填工作面北鄰2301連采充填工作面，東臨回風(fēng)巷，南側(cè)為未采區(qū)、西側(cè)邊界煤柱。工作面寬度為150m，走向長1149m，煤層厚度平均3.5m，埋深平均190m～198m，支架控頂區(qū)寬度6m。

2.2 穩(wěn)定性影響因素分析

（1）充實(shí)率

充填體強(qiáng)度4MPa，充填步距為6m，不同充實(shí)率條件下，工作面頂板下沉量如圖2所示。

由圖2可知，實(shí)體煤和支架控頂作用明顯，頂板下沉量小，受充實(shí)率的影響小。充填體控頂作用受充實(shí)率影響明顯，頂板下沉量隨著充實(shí)率的增大而降低，當(dāng)充實(shí)率為60%，70%，80%，90%，95%，100%時(shí)，待充區(qū)工作面頂板下沉量分別為1m，0.78m，0.55m，0.33m，0.20m，0.11m。充實(shí)率受材料特性、工藝等因素影響，一般充實(shí)率達(dá)到90%以上可以滿足工作面所能承受頂板下沉量的要求。

（2）充填體強(qiáng)度

充實(shí)率為90%，充填步距為6m，不同充填體強(qiáng)度條件下，工作面頂板下沉量如圖3所示。

由圖3可知：煤層和控頂區(qū)內(nèi)頂板下沉量小，可見實(shí)體煤和支架控頂作用明顯。工作面頂板下沉量隨充填體強(qiáng)度增加而降低，充填體強(qiáng)度為2MPa，3MPa，4MPa，5MPa，6MPa時(shí)，待充區(qū)內(nèi)頂板最大下沉量為0.164m，0.150m，0.142m，0.138m，0.135m，0.132m，可見強(qiáng)度越大，對(duì)頂板控制作用越明顯。強(qiáng)度與充填體配比有密切聯(lián)系，可通過調(diào)整充填料漿的配合比增加強(qiáng)度，同時(shí)強(qiáng)度越高，充填成本越高，綜合考慮取充填體強(qiáng)度值為4MPa。

（3）充填步距

充填體強(qiáng)度4MPa，充實(shí)率90%，不同充填步距條件下，工作面頂板下沉量如圖4所示。

由圖4可知，工作面頂板下沉量隨充填步距的增大而增大，充填步距為2m，4m，6m，7m，8m時(shí)，待充區(qū)頂板最大下沉量分別為0.22m，0.28m，0.33m，0.35m，0.37m。可見充填步距的寬度對(duì)整個(gè)充填頂板的下沉量影響較小。充填步距影響整個(gè)礦區(qū)充填速率，步距越寬充填速率越大。綜合考慮，確定充填步距為6m。

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果確定了控制工作面頂板穩(wěn)定的充填體三個(gè)影響指標(biāo)的參考值，即充填體強(qiáng)度為4MPa，充填步距為6m，充實(shí)率為90%以上可實(shí)現(xiàn)對(duì)工作面穩(wěn)定性控制。

3 工程應(yīng)用

榆陽煤礦采用風(fēng)積砂似膏體充填材料充填采空區(qū)，其中在材料配比中，添加一定比例的輔料，在發(fā)生反應(yīng)后形成一定量氣體，使充填體微膨脹，保證充實(shí)率高達(dá)98.5%，滿足充實(shí)率90%以上要求[4]。對(duì)充填體不同循環(huán)的充填體進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度測試，14d平均強(qiáng)度增長至4.65MPa，28d強(qiáng)度穩(wěn)定在5MPa以上。對(duì)頂板進(jìn)行監(jiān)測，反饋充填工作面對(duì)充填步距進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，維持充填步距至6.4m。通過對(duì)待充區(qū)頂板進(jìn)行監(jiān)測表明，待充區(qū)頂板下沉量最大值為0.256m，工作面頂板呈穩(wěn)定態(tài)勢。

4 結(jié)論

（1）提出風(fēng)積砂似膏體充填采煤工作面頂板控制系統(tǒng)，即實(shí)體煤、液壓支架、充填體協(xié)同控制。

（2）數(shù)值模擬結(jié)果表明當(dāng)充填體強(qiáng)度4MPa，充填步距6m，充實(shí)率90%以上對(duì)工作面頂板控制作用效果明顯，并指導(dǎo)工程實(shí)踐，監(jiān)測待充區(qū)下沉量最大值0.256m，工作面呈穩(wěn)定態(tài)勢。

【參考文獻(xiàn)】

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