矸石充填与垮落法混合综采关键技术研究与应用

武月江

（西山煤电集团有限责任公司 西曲矿，山西 太原030053）

0 引 言

我国煤矿资源丰富，但赋存条件较为复杂，在进行高瓦斯低渗透煤层开采时，瓦斯突出危险需要在开采时采取防突措施。目前常见的瓦斯防突开采手段为开采保护层，然而在不适用瓦斯保护层技术的矿井如何实现高瓦斯低渗透煤层的开采研究较少。矸石充填协同垮落法综合开采技术是在原有采煤机技术基础上的一种创新，矸石充填协同垮落法综合开采技术是将矸石充填技术及传统采煤设备布置在同一工作面的双重开采技术，可以实现综采面的高效开采[1-2]，但在矸石充填协同垮落法综合开采技术运用过程中矿压显现及岩层移动是采煤技术得以实现的重要保障[3-4]，以西曲矿18202综采工作面为研究背景，对矸石充填协同垮落法综合开采矿压显现及岩层移动情况进行研究，为高瓦斯低渗透煤层开采提供一定的参考与借鉴。

1 矿井概况及数值模型建立

西曲矿位于山西太原西山煤田西北边缘，矿井面积为15.7 km2，矿井设计生产能力为400万t/a，煤层倾角3°～15°，平均倾角5°，现主要开采8号、9号煤层，井田地质构造简单，煤层稳定。18202工作面位于北三盘区中部，属于近水平结构简单中厚煤层，现主要开采太原组8号煤层，煤层平均厚度3.9 m。作为高瓦斯低透气煤层没有合适的煤层保护层。

矸石充填协同垮落开采技术是由两个部分组成，分别为传统综采段和矸石充填综采段。综采面主要机械设备布置为公用采煤机、公用刮板输送机，矸石垮落段布置的机械设备有多孔底卸压输送机、液压支架、机头机尾升降平台，传统开采段布置过渡液压支架、破碎机、运煤带式输送机、转载机等。矸石充填协同垮落综采技术可以实现矸石充填与采煤共同作业，具有设备搬家次数少，设备利用率高，煤炭资源浪费少的特点[5-6]。

矸石充填协同垮落法综合开采覆岩的矿压特性及覆岩移动特性与很多因素有关，针对西曲矿实际地质情况，利用数值模拟软件对覆岩的移动及矿压的特征进行分析。首先进行模型的建立，模型的长宽高分别为640 m×328 m×107 m，完成模型的初步建立后对模型的四周进行约束设置，限制模型四周边界X、Y、Y三向的位移[7-8]。根据覆岩的容重及埋深计算可得模型上边界施加的均布载荷为22 MPa，本文选定摩尔-库伦模型，对模型的物理参数进行设置，模型的物理参数见表1。

表1 模型的物理参数参照Table 1 Physical parameter reference of the model

完成模型物理参数设定后，对模型进行网格划分，在模型的混合综采面的顶板位置进行细化分，在距离较远的位置粗划分，完成模型网格划分后共计526 670个单元和566 293个节点，网格划分模型如图1所示。

图1 网格划分模型Fig.1 Mesh partitioning model

2 数值模拟分析

首先对不同矸石充填段长度下混合综采覆岩的垂直位移云图进行模拟，模拟结果如图2所示。

图2 不同矸石充填长度下覆岩垂直位移云图Fig.2 Cloud map of vertical displacement of overburden under different gangue filling lengths

如图2可以看出，当矸石充填段为100 m时，此时的覆岩最大移动偏离距离综采面的中心约38 m，此时沿着工作面倾向，顶板岩层的变形量呈现阶梯形分布，在矸石充填范围内的顶板变形量小于垮落段的顶板下沉量，在矸石充填段中心位置的顶板变形量为1.7 m，垮落段的顶板最大变形量为3.08 m，当矸石充填段长度为120 m时，此时覆岩最大移动偏离距离综采面的中心的距离为50 m，矸石充填段的顶板最大变形量为1.92 m，较矸石充填长度100 m时的最大位移变形减小了0.22 m，在垮落段的最大顶板下沉量为3.06。当矸石充填段长度为150 m时，此时覆岩最大移动偏离距离综采面的中心的距离为55 m，矸石充填段的顶板最大变形量为2.24 m，较矸石充填长度100 m时的最大位移变形减小了0.54 m，在垮落段的最大顶板下沉量为3.03。对比可以看出，随着矸石充填长度的增加，在矸石充填段顶板下沉量的最大值有了一定的降低，而垮落段的顶板最大变形量几乎不发生变化。同时对比发现随着矸石充填长度的增加，覆岩最大移动偏离距离综采面的中心的距离逐步增加[9]。对不同矸石充填长度下顶板的应力情况进行研究，不同矸石充填长度下顶板应力曲线如图3所示。

图3 不同矸石充填长度下顶板的应力云图Fig.3 Stress cloud diagram of roof with different gangue filling lengths

从图3可以看出，随着矸石充填长度的增大，18202综采工作面的上覆岩应力整体呈现下降的趋势，且垮落段顶板应力明显小于矸石充填段应力值，当矸石充填长度为100 m时，此时的矸石充填段顶板的应力平均值为13.3 MPa，垮落段的应力均值为6.87 MPa，矸石充填段应力均值与垮落段应力均值的比值为1.94。当矸石充填长度为120 m时，此时的矸石充填段顶板的应力平均值为13.02 MPa，垮落段的应力均值为6.38 MPa，矸石充填段应力均值与垮落段应力均值的比值为2.04。当矸石充填长度为150 m时，此时的矸石充填段顶板的应力平均值为12.44 MPa，垮落段的应力均值为4.62 MPa，矸石充填段应力均值与垮落段应力均值的比值为2.69。对比分析发现，随着矸石充填段长度的增加，矸石充填段顶板应力均值有了一定的减小，垮落段顶板的应力均值也逐步降低，两者的比值呈现增大的趋势，同时增加矸石充填段长度对垮落段影响效果较大[10]。

选定充填段长度为120 m，对不同充填高度下顶板应力进行分析，充填高度分别为1.6、1.98、3.2 m，顶板应力曲线如图4所示。

图4 不同充填高度下顶板应力曲线Fig.4 Roof stress curve under different filling heights

从图4可以看出，当充填高度为1.6 m时，此时充填段顶板的应力均值为11.52 MPa，垮落段的应力均值为7.01 MPa，充填段顶板应力均值与垮落段应力均值的比值为1.64。当充填高度为1.98 m时，充填段顶板的应力均值为13.02 MPa，垮落段的应力均值为6.38 MPa，充填段顶板应力均值与垮落段应力均值的比值为2.04。当充填高度为3.2 m时，此时充填段顶板的应力均值为14.08 MPa，垮落段的应力均值为6.0 MPa，充填段顶板应力均值与垮落段应力均值的比值为2.35。对比发现随着充填高度的增加，充填段的顶板应力均值逐步增大，而垮落段的应力均值减小，在充填段长度一定的情况下，充填高度越大，垮落段应力越小，充填段应力越大。

4 结 论

（1）随着矸石充填长度的增加，在矸石充填段顶板下沉量的最大值有了一定的降低，而垮落段的顶板最大变形量几乎不发生变化。同时覆岩最大移动偏离距离综采面的中心的距离逐步增加。

（2）随着矸石充填段长度的增加，矸石充填段顶板应力均值有了一定的减小，垮落段顶板的应力均值也逐步降低，两者的比值呈现增大的趋势。

（3）在充填长度一定的前提下，随着充填高度的增加，充填段的顶板应力均值逐步增大，而垮落段的应力均值减小。