鄉寧縣某礦充填開采可行性研究

■李典韓興華

（1山西省臨汾市鄉寧縣煤炭工業局 山西鄉寧 042100；2山西省盂縣晉盂煤業（集團）有限公司 山西盂縣 045100）

鄉寧縣某礦充填開采可行性研究

■李典1韓興華2

（1山西省臨汾市鄉寧縣煤炭工業局 山西鄉寧 042100；2山西省盂縣晉盂煤業（集團）有限公司 山西盂縣 045100）

以山西鄉寧某礦為例，采用FLAC3D數值模擬軟件，對比研究了垮落法與充填法開采時采場應力分布及位移變化情況。結果表明：充填開采與垮落開采一樣，在推進過程中都存在著應力增高區、應力降低區和原巖應力區，但其支撐壓力的峰值、集中系數和影響范圍均有明顯減弱，控制地表效果明顯。

充填開采三下壓煤數值模擬

0 引言

山西省臨汾市鄉寧縣煤炭資源儲量豐富，是中國三大優質主焦煤產地之一，境內煤礦企業眾多。隨著近半個世紀的開采，多數礦井開始面臨“三下開采”中的村莊壓煤問題[1]。解決村莊壓煤的傳統解決方案是整村搬遷或條帶法開采，但前者耗資巨大且容易導致礦企矛盾，后者資源采出率低且控制地表下沉效果不理想。因此，解決村莊壓煤的關鍵是尋找一種既能滿足控制地表下沉要求，又能實現較好經濟效果的開采技術。近些年來，眾多學者通過大量研究，把充填開采技術從金屬礦山引入到煤礦，并取得了可喜的成績[2-4]。本文用FLAC3D數值模擬的a方法對鄉寧縣某礦村莊下膠結充填開采進行可行性研究，分析其村莊下工作面充填開采時，采場應力分布及位移變化情況。

1 工程概況

該礦地處鄉寧縣東北部，經過40年的開采，除原“三下”壓煤資源外，無其他可采儲量。為了與接替礦井投產相銜接并為集團下其他相似條件礦井進行技術儲備，確定對該礦附近某村莊的保護煤柱采用膠結充填的方法進行開采。該充填開采區域內，主采煤層為2#，煤層平均埋深210m,平均厚度為2m，傾角平均為3—6°，為近水平煤層。設計在充填開采區域內布置長壁充填綜采工作面，工作面長100m，推進長度200m，全采全充。工作面實行兩采一準的“三八”制，充填工序與準備班平行作業，充填步距2m。

2 FLAC3D數值計算模型

該礦數值模型的上邊界為地表，下邊界為煤層底板以下9m，模型上下高度213m。考慮到充分采動的影響，模型傾向長300m，走向長400m。工作面研究區域網格劃分10m一格，兩邊成比例遞減，模型共劃分70800單元，76260節點，如圖1所示。圍巖模型選擇摩爾—庫倫模型，圍巖力學參數按實際地質參數，模型側面限制水平位移，底部固定。

圖1 網格劃分圖

3 模擬結果分析

3.1 垮落法開采

圖2為垮落法開采200m時，工作面走向應力分布和位移分布。由圖可以看出，垮落法開采時，在工作面前方煤壁處出現應力集中，工作面后方采空區處于應力降低區，且頂板巖層的最大下沉量處于采空區的中部。采空區內無充填體支撐時，隨著工作面的推進，直接頂和老頂完全垮落，導致地表變形嚴重。圖3為垮落法開采200m時的地表下沉值，由圖可知，地表下沉值為350mm,下沉范圍與開采沉陷學中的下沉盆地相符合。

3.2 充填法開采

圖4為充填法開采200m時，工作面走向應力分布和位移分布。由圖可以看出，充填法開采時，在工作面前方應力集中，工作面后方應力降低，且頂板巖層的最大下沉量處于采空區的中部，但其應力峰值和下沉峰值遠遠小于其垮落法開采時的峰值。這是由于充填體在采空區內產生一定的強度，支撐直接頂，減小了上覆巖層的破壞和下沉，降低地表變形移動。圖5為充填法開采200m時的地表下沉值，由圖可知，地表下沉值為45mm，遠遠小于垮落法開采時地表下沉值。

圖2 垮落法開挖200m時應力和位移分布

圖3 垮落法開采200m時地表下沉盆地

圖4 充填開采200m時應力和位移分布

4 結論

該礦采用膠結充填開采技術對村莊下壓煤資源進行置換開采與垮落法相比，充填開采能有效降低工作面前方煤壁應力和采空區上方頂板巖層下沉值，可有效控制地表變形，保護地表構筑物不受破壞。

圖5 充填開采200m時地表下沉盆地

[1]杜計平，汪理全.煤礦特殊開采方法 [M].徐州：中國礦業大學出版社，2003.

[2]劉勇.礦山充填采礦新技術 [M].北京:中國知識出版社，2007.

[3]馮國瑞,任亞峰,張緒言,郭育霞,康立勛.塔山礦充填開采的粉煤灰活性激發實驗研究[J].煤炭學報,2011,05:732-737.

[4]孫恒虎.當代膠結充填技術 [M].北京：冶金工業出版社，2002.

TD82[文獻碼]B

1000-405X（2015）-10-391-1

李典（1987～）男，碩士，助理工程師，研究方向為煤礦安全管理及開采技術管理。