充填步距對矸石充填開采覆巖運(yùn)動影響的數(shù)值模擬

郭鑫 李全水

山東省新汶礦業(yè)集團(tuán)翟鎮(zhèn)煤礦 山東新泰 271204

1 工作面概況

翟鎮(zhèn)煤礦7402E面為原生矸石充填工作面，工作面傾斜長106m，走向長215m，平均埋深600m。煤層平均煤厚2.2m，屬于結(jié)構(gòu)簡單、厚度穩(wěn)定的中厚煤層。7402E工作面采用走向長壁后退式采煤法，上下順槽通過壘砌矸石墻提高充填率并加強(qiáng)支護(hù)，巷內(nèi)采用錨桿支護(hù)。依據(jù)鉆孔柱狀圖，可以看出該工作面的老頂為細(xì)沙巖，灰黃色，裂隙發(fā)育，裂隙被黃土充填，較軟，f＝3.0，直接頂是由砂巖互層、灰黑色粉砂巖及煤2上2分層構(gòu)成的復(fù)合頂，直接底為灰色-灰白色細(xì)砂巖，成分以石英為主，顆粒均勻，分選佳，膠結(jié)物以硅質(zhì)及泥質(zhì)為主，孔隙膠結(jié)，細(xì)水平層理，f=4.0。其巖石力學(xué)參數(shù)如下表：

表1 煤巖層巖力學(xué)參數(shù)

2 不同充填率下矸石充填開采覆巖運(yùn)動的數(shù)值模擬

2.1 數(shù)值計算模型的建立

根據(jù)7402E工作面開采地質(zhì)條件，建立三維數(shù)值計算模型。模型上邊界與煤層的距離約為66m，下邊界與3煤距離約為42m。據(jù)此本次模擬模型尺寸為200×200×110（長×寬×高），工作面長90m，兩側(cè)各留5m煤柱，模擬工作面走向長度為560m，前后各留4m煤柱。將上覆巖層簡化為均布載荷12.75MPa加在模型的上邊界，模型側(cè)面和底面限制移動，計算中煤巖采用彈塑性本構(gòu)模型，屈服準(zhǔn)則采用Mohr-Coulumb準(zhǔn)則。

圖1 三維數(shù)值計算模型

2.2 不同充填步距矸石充填開采覆巖運(yùn)動的位移云圖

為研究不同充填步距矸石充填開采覆巖運(yùn)動規(guī)律，本次研究中充填步距的參數(shù)變量分別為0.6m、1.2m、1.8m和2.4。基于FlAC3D數(shù)值模擬軟件，得到了不同充填步距下工作面推進(jìn)至120m時的覆巖沉降位移云圖。

圖2 工作面推進(jìn)至120m時不同充填步距下覆巖沉降位移云圖

3 不同充填步距下矸石充填開采覆巖運(yùn)動規(guī)律數(shù)值模擬分析

不同充填步距下，工作面推進(jìn)至120m時的覆巖沉降位移云圖表明：

（1）充填步距大小對覆巖沉降位移影響較大，充填步距越大，頂板沉降位移越大，沉降速度越快。

（2）當(dāng)充填步距為2.4m時，頂板沉降位移峰值可達(dá)16.2cm，已接近下方充填體，且直接頂最大下沉區(qū)邊界位置距離工作面僅有12m；當(dāng)充填步距為0.6m時，頂板沉降位移峰值僅為7.9cm，且直接頂最大下沉區(qū)邊界位置距離工作面可達(dá)24m。

（3）當(dāng)充填步距為0.6m、1.2m、1.8m和2.4m時，頂板沉降位移的變化幅度都在20%左右。

4 結(jié)語

（1）充填步距是控制覆巖運(yùn)動的關(guān)鍵參數(shù)，充填步距越小，覆巖沉降位移越小，沉降速度越慢。

（2）當(dāng)充填步距發(fā)生變化時（0.6m、1.2m、1.8m和2.4m），覆巖沉降位移變化顯著，但變化幅度均控制在20%左右。

（3）合理的充填步距不僅能控制覆巖沉降，而且對實現(xiàn)工作面采充平行作業(yè)提供安全空間。根據(jù)數(shù)值模擬情況，結(jié)合7402E面實際充填，選取0.6m為最佳充填步距。