充填采煤工作面顶板稳定性研究

冯超　王军伟　刘高林

【摘 要】以榆阳煤矿风积砂似膏体充填采煤为工程背景，分析了工作面顶板稳定性控制系统及各要素支护特性，利用FLAC3D确定了影响顶板稳定性的3个因素的参考值，并应用于工程实践。结果表明：在充填体强度达到4MPa，充填步距为6m，充实率达到90%以上，充填体控制工作面顶板稳定效果良好。

【关键词】风积砂似膏体；工作面顶板；稳定性控制；数值模拟

中图分类号： TD353 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）30-0232-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.30.103

榆阳煤矿摒弃传统垮落法开采形式，在2307工作面首次采用高流动性风积砂似膏体充填材料，成功地进行了风积砂似膏体充填采煤的工业化试验，为西北地区保水开采技术提供参考和借鉴[1～3]。

实践过程中，工作面直接顶因局部垮落造成封闭空间设置失败时有发生，严重影响充填开采生产效率的提高。因此，本文揭示工作面顶板失稳机理，利用数值模拟方法，研究并确定了顶板稳定的影响因素参考值，对丰富充填采煤控制覆岩移动理论和指导充填开采实践具有重大意义。

1 工作面顶板控制系统

充-采循环作业是工作面在支架的掩护下，前端采煤机割煤推进，支架后方留设一定宽度充填步距，内部支设柔性模板布，形成封闭空间，并输入充填料浆，泌水硬化，充填体达到一定强度后，支架前移，进行下一个循环。充填采煤循环作业如图1所示。

工作面顶板控制系统由工作面前方及侧方煤体，控顶区支架，充填体三部分组成，其中实体煤在超前支承压力作用下，实体煤产生水平位移，浅部煤体塑性破坏，支撑强度降低，致使充填顶板变形量增大；在支架后方待充区未充填，后方充填体强度低，难以形成有效支承的情况下，液压支架承担巨大的支撑强度；充填体对工作面顶板的控制以通过调整充填料浆配比，提高充填體的密实度和强度，同时改善施工工艺，增加充填体的充实率。同时，三部分之间也存在着相互作用关系，共同维持顶板整体稳定。

2 稳定性模拟分析

选取充填工作面的充实率、充填体强度、充填步距三个指标进行模拟分析。

2.1 工程地质条件

榆阳煤矿2307充填工作面北邻2301连采充填工作面，东临回风巷，南侧为未采区、西侧边界煤柱。工作面宽度为150m，走向长1149m，煤层厚度平均3.5m，埋深平均190m～198m，支架控顶区宽度6m。

2.2 稳定性影响因素分析

（1）充实率

充填体强度4MPa，充填步距为6m，不同充实率条件下，工作面顶板下沉量如图2所示。

由图2可知，实体煤和支架控顶作用明显，顶板下沉量小，受充实率的影响小。充填体控顶作用受充实率影响明显，顶板下沉量随着充实率的增大而降低，当充实率为60%，70%，80%，90%，95%，100%时，待充区工作面顶板下沉量分别为1m，0.78m，0.55m，0.33m，0.20m，0.11m。充实率受材料特性、工艺等因素影响，一般充实率达到90%以上可以满足工作面所能承受顶板下沉量的要求。

（2）充填体强度

充实率为90%，充填步距为6m，不同充填体强度条件下，工作面顶板下沉量如图3所示。

由图3可知：煤层和控顶区内顶板下沉量小，可见实体煤和支架控顶作用明显。工作面顶板下沉量随充填体强度增加而降低，充填体强度为2MPa，3MPa，4MPa，5MPa，6MPa时，待充区内顶板最大下沉量为0.164m，0.150m，0.142m，0.138m，0.135m，0.132m，可见强度越大，对顶板控制作用越明显。强度与充填体配比有密切联系，可通过调整充填料浆的配合比增加强度，同时强度越高，充填成本越高，综合考虑取充填体强度值为4MPa。

（3）充填步距

充填体强度4MPa，充实率90%，不同充填步距条件下，工作面顶板下沉量如图4所示。

由图4可知，工作面顶板下沉量随充填步距的增大而增大，充填步距为2m，4m，6m，7m，8m时，待充区顶板最大下沉量分别为0.22m，0.28m，0.33m，0.35m，0.37m。可见充填步距的宽度对整个充填顶板的下沉量影响较小。充填步距影响整个矿区充填速率，步距越宽充填速率越大。综合考虑，确定充填步距为6m。

根据数值模拟结果确定了控制工作面顶板稳定的充填体三个影响指标的参考值，即充填体强度为4MPa，充填步距为6m，充实率为90%以上可实现对工作面稳定性控制。

3 工程应用

榆阳煤矿采用风积砂似膏体充填材料充填采空区，其中在材料配比中，添加一定比例的辅料，在发生反应后形成一定量气体，使充填体微膨胀，保证充实率高达98.5%，满足充实率90%以上要求[4]。对充填体不同循环的充填体进行单轴抗压强度测试，14d平均强度增长至4.65MPa，28d强度稳定在5MPa以上。对顶板进行监测，反馈充填工作面对充填步距进行动态调整，维持充填步距至6.4m。通过对待充区顶板进行监测表明，待充区顶板下沉量最大值为0.256m，工作面顶板呈稳定态势。

4 结论

（1）提出风积砂似膏体充填采煤工作面顶板控制系统，即实体煤、液压支架、充填体协同控制。

（2）数值模拟结果表明当充填体强度4MPa，充填步距6m，充实率90%以上对工作面顶板控制作用效果明显，并指导工程实践，监测待充区下沉量最大值0.256m，工作面呈稳定态势。

【参考文献】

[1]钱鸣高，缪协兴，许家林.资源与环境协调（绿色）开采[J].煤炭学报，2007，32（1）：1-7.

[2]胡炳南.我国煤矿充填开采技术及其发展趋势[J].煤炭科学技术，2012，40（11）：1-5，18.

[3]孙凯华，刘鹏亮，孙万明，等.风积沙似膏体煤矿充填材料的研究及应用[J].金属矿山，2016（ 4）：172-176.