膏體充填工作面圍巖應(yīng)力變化規(guī)律模擬分析

初紹飛

(潞安環(huán)能股份公司 漳村煤礦，山西 長治 046032)

近年來，隨著煤炭資源的大量開采，隨之帶來的“三下”壓煤問題和環(huán)境問題越來越突出。膏體充填作為一種綠色開采方法，對于煤層采后造成的地面沉陷，地表生態(tài)破壞等問題可有效進(jìn)行控制[1-3]。

膏體充填技術(shù)就是將煤矸石、粉煤灰、膠結(jié)料混合成膏體狀漿體，并泵送到采煤工作面，對采空區(qū)進(jìn)行充填。這個過程中，工作面的覆巖結(jié)構(gòu)的變化對膏體充填工作的效果至關(guān)重要。本文結(jié)合五一煤礦的實(shí)際，對膏體充填工作面的覆巖應(yīng)力移動變化規(guī)律進(jìn)行分析。

1 工程概況

五一礦位于沁水煤田西緣，霍山隆起之東翼。由于受霍山經(jīng)向構(gòu)造帶影響，本井田總體構(gòu)造形態(tài)為軸向近南北的背向斜構(gòu)造，地層傾角10～15°。未發(fā)現(xiàn)巖漿巖侵入現(xiàn)象。井田構(gòu)造總體屬簡單類型。井田地處太岳山區(qū)，地表為山區(qū)侵蝕地貌，溝谷縱橫，地形比較復(fù)雜，總的地勢為西高東低，北高南低，地形最高點(diǎn)為井田西部山梁上，標(biāo)高為1 390.4 m，地形最低點(diǎn)為井田西南角邊界處，標(biāo)高為1 165.0 m，相對高差225.4 m。屬中山區(qū)。

11102工作面作為五一礦膏體充填試驗(yàn)工作面，位于該礦井田西南位置。工作面開采11號煤層，煤層厚度穩(wěn)定，煤厚2.01～3.00 m，平均2.71 m。煤厚傾角平均5°，煤層平均埋深450 m。

2 數(shù)值模擬

以五一煤礦11102工作面膏體充填工藝為研究基礎(chǔ)，對膏體充填回采圍巖應(yīng)力分布規(guī)律進(jìn)行數(shù)值模擬研究，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際地質(zhì)生產(chǎn)條件建立模型，分析工作面應(yīng)力分布規(guī)律及主要影響因素，為膏體充填留巷圍巖穩(wěn)定性控制提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

模擬工作面走向長度200 m，傾斜寬度140 m，高70 m，工作面兩邊各加邊界30 m，建立的模型尺寸為208 m×200 m×70 m，如圖1所示，模型兩邊位移約束，模型底部固定，模型上部邊界施加均布載荷11.25 MPa。模型中煤巖體的物理力學(xué)參數(shù)以實(shí)驗(yàn)室煤巖樣力學(xué)測試試驗(yàn)為準(zhǔn)，煤巖體物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 圍巖力學(xué)參數(shù)

圖1 數(shù)值模擬模型

具體模擬方案為：

1) 對不同充填率為80%、85%、90%、95%時(shí)膏體充填工作面圍巖應(yīng)力分布情況進(jìn)行模擬研究，分析不同膏體充填率對圍巖應(yīng)力分布的影響；

2) 為了使模擬工作面符合實(shí)際情況，模型開挖過程中，充填步距設(shè)為4 m，即工作面采五刀煤，進(jìn)行一次充填；充填過程滯后采煤工作面兩個充填步距，即8 m。

3 模擬結(jié)果分析

采用同一配比參數(shù)的充填料漿對采空區(qū)進(jìn)行不同程度的充填，充填率分別為80%、85%、90%和95%，工作面推進(jìn)距離為100 m，分析比較工作面圍巖應(yīng)力分布情況、峰值大小及峰值到煤壁的距離，以及不同充填率時(shí)充填體的受力情況。模擬結(jié)果如圖2、圖3所示。

圖2 不同充填率時(shí)工作面煤壁前方應(yīng)力分布曲線

圖3 不同充填率時(shí)工作面充填體受力分布曲線

由圖2和圖3可以看出：

1) 支承壓力曲線在工作面前方出現(xiàn)峰值，且充填率越高，峰值越小，離煤壁距離越近，充填率從80%升至95%，支承壓力峰值對應(yīng)從24.7 MPa下降至18.6 MPa，距煤壁距離從5.5 m降至4.0 m，充填率越高，應(yīng)力集中越不明顯。

2) 不同充填率時(shí)，靠近工作面的充填體應(yīng)力值較低，僅為2～4 MPa；充填體應(yīng)力隨充填體距工作面的距離，表現(xiàn)為一條遞增曲線，逐漸增加到原巖應(yīng)力后保持平穩(wěn)，期間并不出現(xiàn)峰值。這是由于充填體的強(qiáng)度從剛開始充填然后達(dá)到其最終強(qiáng)度需要有一個時(shí)間的過程，并且其最終強(qiáng)度也低于煤體強(qiáng)度的緣故。

3) 充填率越大，采空區(qū)充填體上支承壓力最大值越小。采空區(qū)頂板未發(fā)生破斷，無周期性來壓導(dǎo)致充填體無應(yīng)力集中，表明充填體能夠有效控制頂板垮落、破斷。

由上述分析可知，當(dāng)充填率達(dá)到95%的情況下，膏體充填體具有足夠的承載能力有效控制充填工作面上方頂板巖層的活動，由于采空區(qū)充填膏體的承載作用，直接頂并不垮落，進(jìn)而有效控制了頂板關(guān)鍵層的下沉運(yùn)移。由此分析得出，工作面在膏體充填率高時(shí)巖層運(yùn)動以彎曲下沉為主，上覆巖層大結(jié)構(gòu)受影響較小，并不發(fā)生破斷，只在膏體工作面上方直接頂出現(xiàn)一定高度的裂隙和破壞，使得膏體充填工作面周圍煤幫和充填體受到影響較小，煤巖體內(nèi)應(yīng)力集中系數(shù)不大，而且受采動影響的范圍不大。

4 結(jié) 語

1) 膏體充填技術(shù)可有效降低工作面的應(yīng)力集中，減免巖層的下沉移動，控制覆巖結(jié)構(gòu)的破壞，且充填率越高，效果越明顯。

2) 膏體充填開采可有效控制地表沉陷，減少采區(qū)建(構(gòu))筑物及地表農(nóng)田植被的破壞，社會經(jīng)濟(jì)效益顯著，對維護(hù)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境具有重要意義。