充填采礦礦壓顯現與巖層移動規律研究

摘要：當前，全國“三下”壓煤問題突出，解決村莊壓煤問題十分緊迫。冀中能源峰峰集團通順礦業公司通過開展矸石似膏體充填不遷村開采保護煤柱的研究與試驗，為探索解放村莊等煤柱的技術找到了新途徑。

關鍵詞：充填開采 礦壓顯現 巖層移動 保護煤柱 規律

冀中能源峰峰集團所在的峰峰礦區有130多年開采歷史，“三下”壓煤量大面廣，嚴重制約礦井生產接續。如何解放村莊壓煤是一個十分重要、又迫切需要解決的難題。峰峰集團通順礦業公司開展的矸石似膏體充填不遷村開采金村和工業廣場附近保護煤柱的研究與試驗，為探索解放村莊等煤柱找到了一條新途徑。

1 項目研究內容

1.1 充填法采礦頂底板巖層力學性質演化規律研究

針對峰峰公司礦區煤炭賦存的條件，進行充填法采礦時頂底板巖層力學性質演化規律研究，研究直接頂、老頂、直接底、老底在充填法管理采空區后力學性質的演化規律，為弄清充填法采礦礦壓控制與巖層移動規律提供理論支持。

1.2 充填法采礦充填料力學及變形特性研究

系統研究充填法采礦的力學性質及變形規律，研究充填料的密實性、碎脹性、強度及充填后變形特性，弄清所用充填材料的性質，為研究充填后采空區頂底板演化規律提供依據。

1.3 充填法采礦礦山壓力顯現以及上覆巖層移動規律研究

系統研究充填法采空后采空區礦山壓力及巖層的移動規律、采煤工作面礦壓顯現及煤壁變形移動規律，弄清充填法采礦的礦山壓力及巖層的移動規律及對采煤工作面煤壁產生的影響。

1.4 充填法采礦對底板影響范圍及程度研究

系統研究充填法采礦對底板影響范圍及程度，研究充填法采礦底板內應力場演化、變形及內部結構變化程度及范圍，弄清相應的規律。為制定充填法采礦制定合理的底板管理措施提供理論支持。

2 主要研究成果

2.1 充填材料配比優化

對峰峰集團所在地附近的充填材料的來源進行了詳細的調查、取樣。根據現場充填過程中發現的問題，對充填料進行了優化研究，優化后的充填料配比如下：

骨料為陶矸或細粒新鮮煤矸石，粒徑介于5~10mm；

水泥：粉煤灰：煤矸石=1：4：15；

質量濃度為72～75%；

復合減水劑添加量為1.0-1.5%（水泥與粉煤灰質量和的百分比）；7d充填體強度應不低于0.7Mpa。

優化后的充填料特點：

①提高了充填體的強度。充填體強度從優化前的9.9MPa提高到17.3MPa。

②提高了充填過程的順暢性，減少了堵塞管路的次數。降低阻塞管路次數為原來的三分之一。

③節約了充填成本和需水量。充填成本從54.15元/t減少到的47.2元/t。

④滿足了前進式開采通風要求。優化后的充填體極大的降低了充填區域的漏風量，滿足了前進式通風的要求。

⑤降低了地表沉陷量。從優化前的最大120mm降低到現在的最大68mm。

2.2 充填開采巖層移動規律

為了獲得頂板巖層移動規律，通順礦業公司在工作面頂板的不同部位采取深孔、淺孔布置離層儀法進行頂板移動規律監測，其中深孔孔深7.0m，淺孔孔深3.0m。

充填采礦直接頂巖層移動規律較簡單。隨著充填采礦的推移，直接頂巖層移動呈先較快增加，達到一定量后基本保持不變；而處于穩定后充填體、充填體、煤巖體構成的穩定承載結構支撐的充填體頂板直接頂下沉量變化較小，下沉量呈先急劇增加，后迅速減小，而后保持恒定規律，充填越久的區域，直接頂離層量越小。采空區頂板老頂運移情況呈現先緩慢增加、又有小幅降低、再基本保持恒定值不變的規律。由充填體單獨承載頂板壓力的區域老頂變形較大，而處于穩定后充填體、煤巖體構成的穩定承載結構支撐的充填體頂板老頂下沉量變化很小，基本保持恒定不變規律。充填采礦時，礦山壓力對于采掘空間部分的頂板作用明顯轉移到由充填體、采掘空間煤巖體形成的穩定支撐體系上，頂板受到的采動影響明顯小于傳統的垮落式采煤方法。采用充填法采礦時，頂板巖層移動沒有明顯的“上三帶”分布，即垮落帶、裂縫帶、彎曲下沉帶。直接頂最大下沉量為25mm，下沉量主要由充填欠頂量、充填體密實壓縮量和充填體承載后壓縮量組成，且隨著充填后時間的延長呈下降趨勢，說明頂板巖層整體移動變形量較小；老頂和直接頂最大下沉量之差約為20mm，沒有老頂直接頂離層。沿工作面推進方向上存在不明顯的“三區”分布，即煤壁支撐影響區、離層區和重新壓實區，但明顯比采用垮落法“三區”區分小的多。在概況開采條件下，煤壁前方塑性區寬度10.3m，底板最大破壞深度為6.05m。巷道圍巖變形在時間上表現為：處于沿空留巷側的充填穩定區域之內的巷道圍巖變形規律呈先增加、達到一定水平不變化的趨勢，且總的位移量較小，不大于50mm；處于沿空留巷側的充填穩定區域與采煤工作面之間巷道圍巖運移規律呈現緩慢增加且增速很小趨勢；溜子道側的充填穩定區域巷道圍巖移動量很小，幾乎為0；沿空留巷側的采動影響區內巷道圍巖變形量比較急劇、數值較大，而后又減小。

在空間上表現為：距工作面距離小于30m時，巷道兩幫的移近速度隨著距工作面距離的增加而減小。超過30m后，巷道兩幫移近速度略有上升，但上升幅度很小。

2.3 充填開采礦壓顯現規律

礦壓觀測點布置頂測力錨桿6組、幫測力錨桿6組。充填采礦時，隨著距工作面距離的增加頂板內的應力狀態呈現先小幅下降、后小幅增加又下降的趨勢。隨著工作面的不斷推進，支架工作阻力總體在較小水平上下波動；應力集中不明顯。工作面的采動作用對圍巖應力場分布的影響范圍遠小于垮落法采煤，工作面頂板巖層中存在不明顯的三區劃分，即：增加區、減壓區、穩壓區，增壓區增壓幅度為原應力值的0.8倍，增壓區為超前工作面10m的范圍內、減壓區位滯后工作面8m的范圍內。充填工作面初次來壓不明顯，礦壓值變化幅度較小且呈連續變化趨勢，來壓步距約為60m，初次來壓原因可能是充填體形成穩定支撐結構前前煤層頂板的彎曲下沉導致達到最大值的一種表現，而不同于老頂初次斷裂來壓。工作面周期來壓不明顯的，僅周期性的出現小幅礦山壓力值的增加，步距約為40m，周期來壓原因可能是充填體與圍巖逐次形成穩定支撐結構所致。充填體對采空區的支撐作用主要表現在改善圍巖的受力狀態、改善圍巖的內部結構和轉移礦山壓力的作用。充填體變形呈充填體中部大、靠近巷道側小，且充填體距離工作面超出60m后，充填體壓縮量呈現向以恒定值靠近趨勢。充填體的變形主要包括充填體密實變形、壓縮變形兩部分組成。在垂直工作面推進方向的形成支撐強度的充填體內，靠近采掘巷道側的充填體內應力較小但變化明顯，位于充填體區域中部范圍內的充填體應力狀態較高且變化較小。充填體內的應力狀態呈中部大、兩側小的趨勢呈倒緩“U”型；兩側區域應力的變化率要大于中部區域，呈“U”性。自工作面至形成穩固支撐結構后的充填體范圍呈臺階形分布，大致可分為三個區。

2.4 充填開采地表移動變形規律

為了對重點監測部位——金村進行地表移動變形規律監測，在金村不同典型位置設置測點14個，對地表受采動影響的在整個過程的地表移動變形規律進行監測。

采用充填開采法不但能夠解決煤礦企業的煤矸石排放問題，解放出寶貴的土地資源，解決煤矸石對大氣和水資源的污染問題，而且可以有效開采寶貴的煤炭資源，具有顯著的經濟效益和社會效益。通順礦業公司采用充填開采時，地表最大下沉僅有68mm，遭受的變形破壞完全滿足“三下”規程規定的I級破壞。地表下沉情況表明充填法采礦對地表保護作用非常明顯。

3 效果分析

①截止目前，已經順利回采煤炭約14.5萬t，煤炭市場價格按750元/t，創產值10875萬元，生產綜合成本434.15元/t，實現效益4580萬元。

②巖層移動與礦壓顯現規律表明，充填法開采無明顯的“上三帶”劃分和“前三區”劃分，礦山壓力對底板影響很小，無明顯初次來壓和周期來壓。

③采用充填開采法不但能夠解決煤礦企業的煤矸石排放問題，解放出寶貴的土地資源，解決煤矸石對大氣和水資源的污染問題，而且可以有效開采寶貴的煤炭資源，具有顯著的經濟效益和社會效益。通順礦業公司采用充填開采時，地表最大下沉僅有68mm，遭受的變形破壞完全滿足“三下”規程規定的I級破壞。地表下沉情況表明，充填法采礦對地表保護作用非常明顯。