矸石充填工作面覆岩运动特征研究与分析

刘光照 郑永

摘要：为研究矸石充填工作面覆岩运动破坏特征，以翟镇煤矿7203E充填工作面为工程研究背景，运用“等价采高”的理论矿压模型，将矸石充填“中厚煤层”转化为垮落法的“极薄煤层”分析，并运用公式分别计算垮落带及裂隙带的高度，进而分析得出充填开采后覆岩运动稳定的原因。该研究可为矸石充填工作面覆岩运动规律的理论分析提供一定的借鉴意义。

关键词：原生矸石；充填开采；等价采高；矿压规律

1工程背景

翟镇煤矿7203E面为充填开采工作面，四侧均为实体煤。工作面倾斜长95m，走向长592m，平均埋深597.9m。煤层平均煤厚2.15m，属于结构简单、厚度稳定的中厚煤层。直接顶为黑色粉砂岩，基本顶为灰白色砂岩，煤层顶底板具体特征见表1所示。

7203E工作面采用走向长壁后退式采煤法，采用综采原生矸石充填生产工艺，上下顺槽实施双沿空留巷工艺，巷旁采用垒砌矸石墙支护，巷内采用锚杆支护。

为提高充填率，改善充填效果，特增加捣实装置。如图1所示，待充填施工前，先将捣实装置放置最低，由输送装置输送充填矸石，然后开动捣实装置，推压充填物料，对物料进行推压夯实，循环2～3次，实现矸石接顶和压实。

2 充填开采等价采高理论

为了更加清楚的掌握矸石充填后上覆岩层的运动规律，中国矿业大学缪协兴教授在固体充填法研究中，首次提出“等价采高”的理论矿压模型，实际是实际采高减去固定充填后的空间高度，即：

（1）

式中 —等价采高，m；

—实际采高，m；

—充填高度，m；

—充填固体初始压实后的孔隙率，通常情况下取值1.30～1.40；

k0—最终压实后的残余孔隙率，通常情况下取值1.10～1.15m。

运用等价采高理论，7203E矸石充填工作面的采高为2.15m，充填率按85%计算的话，则工作面等价采高为0.69m。

矸石充填的目的本质上是降低工作面煤层的采高，通过该模型，可以将矸石充填采煤的厚煤层及中厚煤层等价为“极薄煤层”开采，也就是说：等价采高越小，覆岩运动及地表下沉量越小，因而转变为用传统矿压理论分析矸石充填矿压显现及地表变形情况。

3 矸石充填工作面覆岩破坏特征

在一定的地质条件下，覆岩运动的特征主要由采高决定，通过前面的“等价采高”理论，可以用来分析矸石充填综采与传统综采的覆岩破坏特征，下面针对7203E面的基本条件：采高2.15m，等价采高0.69m，煤层倾角为4°，分析充填综采垮落带与裂缝带。

垮落带的高度分析公式为：

（2）

式中 —垮落带高度，m；

—工作面采高，m；

k—矸石的碎胀系数，一般取1.3-1.4；

—煤层倾角。

根据7203E的实际地质条件，代入相关参数，可得传统综采的垮落带高度为7.1m，而矸石充填综采的垮落高度为2.1m。

裂隙带的高度分析公式为：

（3）

式中 —垮落带高度，m；

—工作面采高，m。

根据7203E的实际地质条件，代入相关参数，可得传统综采的裂隙带高度为29.1～40.3m，而矸石充填综采的裂隙带高度为9.9～21.1m。

4主要结论

1）矸石充填开采减少了采空区上覆岩层的运动空间，消除了基本顶的瞬时垮落对工作面顶板管理的不利、减少了煤壁片帮的可能性。同时，采空区充填体作为支撑体承载了采空区上覆岩层的大部分荷载，减缓了围岩和煤体的应力集中程度，改变了围岩及煤体的受力状态。

2）矸石充填的目的本质上是降低工作面煤层的采高，通过“等价采高”的理论，可以将矸石充填采煤的厚煤层及中厚煤层等价为“极薄煤层”开采，因而转变为用传统矿压理论分析矸石充填矿压显现。

3）该工作面利用“等价采高”理论计算得出：矸石充填垮落高度为2.1m，裂隙带高度为9.9-21.1m，大大降低了垮落带和裂隙带的高度，减少了覆巖断裂破坏，近而得出充填工作面矿压显现不明显的原因。

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作者简介：

刘光照（1988-）男，汉族，山东新泰人，现任翟镇煤矿充填采煤工区区长，研究方向：矿山压力与岩层控制。