充填步距对矸石充填开采覆岩运动影响的数值模拟

郭鑫 李全水

山东省新汶矿业集团翟镇煤矿 山东新泰 271204

1 工作面概况

翟镇煤矿7402E面为原生矸石充填工作面，工作面倾斜长106m，走向长215m，平均埋深600m。煤层平均煤厚2.2m，属于结构简单、厚度稳定的中厚煤层。7402E工作面采用走向长壁后退式采煤法，上下顺槽通过垒砌矸石墙提高充填率并加强支护，巷内采用锚杆支护。依据钻孔柱状图，可以看出该工作面的老顶为细沙岩，灰黄色，裂隙发育，裂隙被黄土充填，较软，f＝3.0，直接顶是由砂岩互层、灰黑色粉砂岩及煤2上2分层构成的复合顶，直接底为灰色-灰白色细砂岩，成分以石英为主，颗粒均匀，分选佳，胶结物以硅质及泥质为主，孔隙胶结，细水平层理，f=4.0。其岩石力学参数如下表：

表1 煤岩层岩力学参数

2 不同充填率下矸石充填开采覆岩运动的数值模拟

2.1 数值计算模型的建立

根据7402E工作面开采地质条件，建立三维数值计算模型。模型上边界与煤层的距离约为66m，下边界与3煤距离约为42m。据此本次模拟模型尺寸为200×200×110（长×宽×高），工作面长90m，两侧各留5m煤柱，模拟工作面走向长度为560m，前后各留4m煤柱。将上覆岩层简化为均布载荷12.75MPa加在模型的上边界，模型侧面和底面限制移动，计算中煤岩采用弹塑性本构模型，屈服准则采用Mohr-Coulumb准则。

图1 三维数值计算模型

2.2 不同充填步距矸石充填开采覆岩运动的位移云图

为研究不同充填步距矸石充填开采覆岩运动规律，本次研究中充填步距的参数变量分别为0.6m、1.2m、1.8m和2.4。基于FlAC3D数值模拟软件，得到了不同充填步距下工作面推进至120m时的覆岩沉降位移云图。

图2 工作面推进至120m时不同充填步距下覆岩沉降位移云图

3 不同充填步距下矸石充填开采覆岩运动规律数值模拟分析

不同充填步距下，工作面推进至120m时的覆岩沉降位移云图表明：

（1）充填步距大小对覆岩沉降位移影响较大，充填步距越大，顶板沉降位移越大，沉降速度越快。

（2）当充填步距为2.4m时，顶板沉降位移峰值可达16.2cm，已接近下方充填体，且直接顶最大下沉区边界位置距离工作面仅有12m；当充填步距为0.6m时，顶板沉降位移峰值仅为7.9cm，且直接顶最大下沉区边界位置距离工作面可达24m。

（3）当充填步距为0.6m、1.2m、1.8m和2.4m时，顶板沉降位移的变化幅度都在20%左右。

4 结语

（1）充填步距是控制覆岩运动的关键参数，充填步距越小，覆岩沉降位移越小，沉降速度越慢。

（2）当充填步距发生变化时（0.6m、1.2m、1.8m和2.4m），覆岩沉降位移变化显著，但变化幅度均控制在20%左右。

（3）合理的充填步距不仅能控制覆岩沉降，而且对实现工作面采充平行作业提供安全空间。根据数值模拟情况，结合7402E面实际充填，选取0.6m为最佳充填步距。