李世輝

（淮南礦業(yè)集團(tuán)，安徽 淮南 232001）

充填開采方法為現(xiàn)代綠色開采方法中的一種，對礦區(qū)減少塌陷具有積極的影響，但由于現(xiàn)代技術(shù)裝備還無法滿足大規(guī)模開采的要求，近幾年來國內(nèi)學(xué)者提出了部分充填開采方法?；茨系V區(qū)薄基巖煤層存在埋藏淺、開采成本低等優(yōu)點(diǎn)，且煤質(zhì)也較好，因此淮南礦業(yè)集團(tuán)選取了數(shù)十個工作面進(jìn)行提高開采上限試驗(yàn)。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(fā)生壓架出水現(xiàn)象，給生產(chǎn)安全造成了隱患。針對此問題，以淮南礦區(qū)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(yīng)性研究，以期為薄基巖煤層開采提供技術(shù)支持。

1 工程背景

1332(1 )回采工作面地表標(biāo)高為+21m，工作面標(biāo)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(jié)構(gòu)復(fù)雜，煤層最大厚度為4.9m，最小為2.1m，平均3.9m，煤層發(fā)育穩(wěn)定，局部存在變薄區(qū)。工作面采用傾斜長壁開采法開采，工作面切眼至前方70m區(qū)域?yàn)楸』鶐r區(qū)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(shù)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，F(xiàn)LAC3D三維模型進(jìn)行充填法開采，模型尺寸長、寬、高為340×300×150m，根據(jù)模型上部邊界的埋深，在模型上部邊界施加8MPa載荷進(jìn)行補(bǔ)償，以模擬煤層所處的真實(shí)環(huán)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(jì)算平衡后再進(jìn)行充填，以模擬真實(shí)的充填環(huán)境。

（2）在模擬中，充填率按0.95，充填體強(qiáng)度按煤體的0.1倍考慮。

2.2 模擬結(jié)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(xiàn)特征與充填時的礦壓顯現(xiàn)特征進(jìn)行對比分析。

（1）塑性區(qū)高度對比

工作面推進(jìn)70m時垮落法開采與部分充填法開采走向覆巖塑性區(qū)分布規(guī)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(qū)分布圖

表1 破壞高度統(tǒng)計(jì)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(dāng)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(jìn)行，垮落法開采時的覆巖破壞高度一直增加，當(dāng)回采至60m時，覆巖破壞高度達(dá)到23.8m，此時工作面還處于薄基巖區(qū)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(lián)通的幾率增加，易發(fā)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(jìn)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(chǎn)安全。

（2）垂直應(yīng)力對比分析

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

由圖3可知，當(dāng)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(dāng)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?yàn)楣ぷ髅娌捎每迓浞ü芾眄敯鍟r，采空區(qū)上方頂板回轉(zhuǎn)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(qū)進(jìn)行了充填，采空區(qū)上方的頂板自由活動空間相對較小，其頂板回轉(zhuǎn)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(xiàn)劇烈程度明顯高于部分充填開采法。

圖3 覆巖垂直應(yīng)力分布圖

當(dāng)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(dǎo)水裂隙帶溝通第四系松散含水層的幾率，并且礦壓顯現(xiàn)程度也相對平緩，從而可以避免壓架現(xiàn)象的發(fā)生。同時，當(dāng)工作面進(jìn)入基巖較厚區(qū)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(jié)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(qū)覆巖破壞高度，避免導(dǎo)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。