固体充填采煤矿压显现规律及机理分析

固体充填采煤矿压显现规律及机理分析

摘要：煤炭能源对我国的经济发展具有一定的支撑作用，近些年来我国煤炭产

量显著上升，并且因为煤炭资源分布不均等相关因素影响，导致我国某些地区煤

炭资源已经出现枯竭，同时我国煤炭每年都会有大量的煤矸石等固体垃圾排放，

不但影响环境，同时也占有大量土地，所以在此基础上也就新的采煤技术。

关键词：固体充填采煤；规律；机理

引言

近年来固体充填采煤技术在我国多个矿区的不同“三下”压煤条件下得到了广

泛应用，成功采出了大量煤炭资源。相比传统垮落法管理采场顶板，在固体充填

开采中，矸石、粉煤灰等充填材料被及时充填入采空区内，充填体有效限制了上

覆岩层的移动、变形空间，使得充填开采采场来压强度、频率及范围大大减小。

1概述

1.1工程概况

五沟煤矿是华东地区厚松散含水层下开采井田，煤系地层覆盖松散含水层厚

度平均300m，其中第四含水层直接覆盖于开采煤系露头之上，对煤层的安全开

采构成了严重的威胁。CT101工作面和1013工作面是同位于五沟煤矿东翼采区的固体充填法和垮落法采煤2个工作面，具有相同的采矿地质条件。CT101充填采

煤工作面及1013综采工作面布置、位置关系和1013工作面区域柱状图如图1所示。

1.2采场顶板管理方式

固体充填采煤技术是在传统综合机械化采煤作业的基础上，同时实现固体充

填作业的采煤技术。与1013工作面垮落法管理采场顶板不同，CT101充填采煤工作面通过悬挂在充填采煤液压支架后部的底卸式刮板输送机输送地面矸石山及洗

选矸石等固体充填材料至工作面采空区，经连接在支架后部的夯实机构进行密实

充填，通过固体充填材料的有效支撑实现采场顶板的管理，进而实现覆岩移动、

地表沉陷控制，解放“三下”压煤资源的目的。CT101工作面和1013工作面基本情

况对比见表1所示。

从图中可以看出，2个工作面回采过程中，1013工作面液压支架平均工作阻力接近支架

额定工作阻力，现场统计，1013工作面35%的支架工作阻力集中在4000~4500kN，平均支护

强度为0.6MPa，说明煤层开采过程中矿压显现较为剧烈，此外，工作面回采期间，5%~9%液

压支架安全阀开启，支架富裕系数较小。CT101充填采煤液压支架，支架工作阻力集中在8000~10000kN，平均支护强度在0.5MPa，占总支架的55%，远远小于支架的额定工作阻力，现场统计，支架安全阀不开启，支架富裕系数较大。说明充填采煤工作面回采过程中矿压显

现强度相对较弱，无明显来压现象。

2.2超前支承压力实测对比

现场监测1013工作面与CT101工作面煤壁前方钻孔应力计变化，实测数据表明：1013

工作面，煤壁前方支承应力最大值为28.2MPa，应力集中系数为3.76，相比CT101工作面煤

壁前方支承应力最大值仅为14.35MPa，应力集中系数为1.91，现场观测1013工作面采场的

整体来压强度较大，煤壁前方应力集中明显，而相对CT101工作面，固体充填法管理采空区，充填体有效支撑采场上覆顶板下沉，实现了采场应力转移，采场应力峰值和影响范围低，采

场整体来压强度较小。

3矿压显现特征及机理分析

3.1矿压显现特征分析

通过对五沟煤矿邻近工作面垮落法与充填法矿压显现特征的现场实测，得到不同顶板管

理方式下的2种矿压显现特征情况，如表2所示。由表2可知，采用垮落法与充填法管理采

场顶板时，1013工作面支架平均支护强度是CT101工作面支架支护强度的1.2倍，来压期间

支架安全阀开启频繁，工作面顶板垮落，覆岩裂隙带高度发育到上覆45m左右，而CT101工作面顶板不破断，覆岩“两带”变化，裂隙发育高度10m，采场周围应力集中系数小，CT101

工作面整体来压强度、来压频率和来压范围相对较小。

式中[σt]为岩层许用应力，MPa。

将2个工作面相关实测数据代入以上公式，经初步计算，五沟煤矿1013工作面顶板初次垮断步距为29.2m，顶板垮落高度为23m，而CT101工作面顶板不发生破断。

4矿压显现数值模拟分析

不同充实率下采煤工作面数值模拟结果表明，当采场充实率为0%，即垮落法开采时，工

作面推进到30m，基本顶开始垮落，此时为工作面初次来压阶段，随着工作面继续推进，采

场顶板发生大面积周期性垮落、失稳，周期来压步距为10~16m，工作面来压期间矿压显现

剧烈，上覆岩层呈现典型“三带”变化，裂隙带发育高度为42m左右，覆岩垮落状态如图4a

所示。随着充填体充实率继续增大，充填体对采场顶板支撑作用凸显，充实率为85%时，工

作面覆岩垮落状态如图4d所示，此时，基本顶仅发生弯曲下沉，而不破断，采场上覆岩层

只有裂隙带与弯曲下沉带，采场矿压显现相对缓和，裂隙带发育高度仅为10m左右。

结语

由以上矿压显现实测数据及数值模拟结果可知，采场充填体及时有效地承载上覆岩层载荷，避免采场覆岩的大面积垮落，可有效降低充填采煤工作面及采场矿压显现的强度、频率

及范围。

参考文献

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