煤礦結構充填開采充填體-直接頂復合承載結構穩定性研究

成昕隆

（西山煤電集團有限責任公司東曲礦，山西 太原030053）

充填開采是實現礦井綠色開采的重要途徑，目前，因為充填材料費用高、充填工藝復雜等原因，充填開采還未被廣泛使用[1-3]。本文提出“充填體-直接頂”復合承載結構，降低充填成本的同時實現了高強度的支護目的，為工作面的安全推進提供了重要保障。

1 結構充填開采基礎理論

結構充填開采方法是根據礦井煤層以及圍巖的受力變形特征進行理論分析和計算得到充填的準確位置，通過充填工藝實現充填體和直接頂的復合承載結構，復合承載結構有較強的承載能力，減少了巷道圍巖的變形，同時減少了充填材料的投入，為工作面生產提供了充足的地下空間。

傳統的充填工藝下，巷道圍巖的變形主要通過充填材料支撐，因此對于充填材料的使用量以及強度都有較高的要求，一般要求充填材料強度大于3MPa，當巷道圍巖破碎嚴重，受力明顯時，充填體的強度需大于6 MPa。采用結構充填方法，使得充填體和直接頂形成復合承載結構，復合承載結構可以實現高強度的支護，為井下工作面的開采提供穩定的空間，而支護強度的實現僅靠充填材料很難實現，因此需要根據礦井實際狀況，構建不同形態的充填體提高充填體的強度，為安全生產提供重要保障。

圖1 為結構充填示意圖，其中圖1-1空心充填柱體和圖1-2帶帽充填柱體是形態規則的結構充填柱，圖1-3十字形充填體和圖1-4箱型充填體是形態不規則的結構充填柱，礦井應該根據實際狀況選擇合適形態的充填體進行充填作業。

圖1 結構充填示意圖

結構充填開采方法的另一優勢在于，進行結構充填后，通過保證煤層頂板的完整性使得充填體和頂板形成充填體-直接頂的復合承載結構，加強了充填的強度。通過在頂底板安裝錨桿控制工作面推進前期巷道圍巖的變形，同時將充填體和頂底板連接起來，使得復合承載結構可以約束巷道垂直和水平位移，實現了巖層間的力學傳遞，有效控制了圍巖的運移。

2 柱式結構充填開采復合承載結構穩定性分析

西山煤電集團有限責任公司東曲礦（東曲煤礦28802工作面位于麻坪嶺村莊東南，蓋山厚度185～331m，該工作面北東為大巷保護煤柱；北西為+860 mm水平石門及大巷保護煤柱；南西為八采邊界回風巷；南東為已回采的28804工作面。上方2號、4號煤大部分未回采。4號—8號煤的層間距為82 m。8號—9號煤的層間距約5 m。根據巷道揭露情況及在28802軌順、皮順、切眼施工的32個探底板煤厚孔可知，本工作面8號煤層組厚在4.2～6.6 m之間，平均厚度5.26 m；8號上煤厚0.58～0.8 m，平均厚約0.62 m；8號煤厚在3.2～4.5 m，平均厚約3.64 m；8號上煤及8號煤合計共約4.26 m；8號上煤與8號煤有分叉與合并現象，8號上煤與8號煤夾矸厚在0.1～2.4 m，平均厚約1.0 m。

根據礦井開采狀況，8號煤層在開采過程中，采用柱式結構充填，充填體支撐直接頂，為了探究柱式結構充填開采復合承載結構穩定性，進行了相似模擬實驗，相似模擬中煤層頂板情況如表1所示。

表1 8號煤層頂底板狀況

柱式結構充填開采時覆巖結構演化特征如圖2所示，模擬實驗中通過不同位置的測點進行數據的采集，得到圖3所示的柱式結構充填開采時直接頂頂部垂直應力變化量。

圖2 柱式結構充填開采時覆巖結構演化特征

從圖3中可以看出，當煤層開挖0.3 m并進行柱式結構充填，煤層直接頂頂部在0.15 m處的應力值最小，在0.05 m至0.25 m的位置，頂板的應力值普遍較小；工作面前方以及后方都出現了應力增高的現象，在工作面后方約0.3～0.5 m的位置，煤體的應力值最高，達到0.46 MPa；在工作面前方約0.5～1.5 m的位置，煤體應力也出現增加的現象，在超前支承壓力的作用下，應力值達到0.57 MPa。

當煤層開挖0.5 m進行柱式結構充填，直接頂頂部的垂直應力在0.15～0.45 m之間出現降低的現象，0.45 m的位置垂直應力減幅最大；工作面前方以及后方都出現了應力增高的現象，在工作面后方約0.05～0.30m的位置，煤體的應力值最高，達到0.76 MPa；在工作面前方約0.50～1.55 m的位置，煤體應力也出現增加的現象，在超前支承壓力的作用下，應力值達到1.03 MPa。

當煤層開挖0.7 m進行柱式結構充填，直接頂頂部的垂直應力在0.15～0.60 m之間出現降低的現象，0.45 m的位置垂直應力減幅最大；工作面前方以及后方都出現了應力增高的現象，在工作面后方約0.05～0.30m的位置，煤體的應力值最高，達到1.03 MPa；在工作面前方約0.70～1.55 m的位置，煤體應力也出現增加的現象，在超前支承壓力的作用下，應力值達到1.01 MPa。

當煤層開挖0.9 m進行柱式結構充填，直接頂頂部的垂直應力在0.15～0.80 m之間出現降低的現象，0.45m的位置垂直應力最低，應力值達到2.47 MPa，在0.55 m的位置應力值達到1.42 MPa，出現應力值回升的現象，說明充填體起到支撐的作用，使得直接頂承載能力增強；工作面前方以及后方都出現了應力增高的現象，在工作面后方約0.05～0.25 m的位置，煤體的應力值最高，達到1.23 MPa；在工作面前方約0.85～1.55 m的位置，煤體應力也出現增加的現象，在超前支承壓力的作用下，應力值達到1.68 MPa。

當煤層開挖1.1 m進行柱式結構充填，直接頂頂部的垂直應力在0.15～0.90 m之間出現降低的現象，0.45 m的位置垂直應力減幅最大，應力值達到2.57 MPa，在0.55 m的位置應力值達到0.88 MPa，出現應力值回升的現象，回升值達到0.55 MPa，說明充填體起到支撐的作用，使得直接頂承載能力增強；工作面前方以及后方都出現了應力增高的現象，在工作面后方約0.05～0.25 m的位置，煤體的應力值最高，達到1.72 MPa；在工作面前方約1.05～1.55 m的位置，煤體應力也出現增加的現象，在超前支承壓力的作用下，應力值達到1.47 MPa。

當煤層開挖1.3 m進行柱式結構充填，直接頂頂部的垂直應力在0.15～1.10 m之間出現降低的現象，0.45 m的位置垂直應力減幅最大，應力值達到2.59 MPa，在0.55 m的位置應力值降低0.04 MPa，相較開挖1.10 m出現應力值回升的現象，回升值達到0.75 MPa，說明充填體起到支撐的作用，使得直接頂承載能力增強；工作面前方以及后方都出現了應力增高的現象，在工作面后方約0.05～0.25 m的位置，煤體的應力值最高，達到1.98 MPa；在工作面前方約1.23～1.55 m的位置，煤體應力也出現增加的現象，在超前支承壓力的作用下，應力值達到2.71 MPa。

待開挖完全平衡后，直接頂上部的垂直應力值分別在0.55 m、0.75 m、0.85 m處出現回升的現象，回升范圍分別為1.21 MPa、0.86 MPa、0.35 MPa，工作面兩側煤壁的應該值也出現增加的現象，工作面后方0.05 m的位置處，應力值增加幅度達到2.09 MPa，在工作面前方1.32m的位置應力值增加幅度達到4.21MPa。由此可見，在工作面推進過程中進行充填柱進行開采，提高了直接頂的承載能力，達到了實現充填體-直接頂復合承載結構的目的。

圖3 柱式結構充填開采時直接頂頂部垂直應力變化量

3 現場應用

模擬實驗證明了柱式結構充填開采對于巷道圍巖變形有良好的效果，為此在東曲礦進行了現場應用，對現場開挖進度過程中以及平衡后亞關鍵層不同測點位置的垂直應力值進行測量統計得到表2所示的結果。

從表2中可以看出，柱式結構充填開采時亞關鍵層垂直應力變化范圍更大，隨著工作面的推進，超前支承壓力呈現降低的趨勢，降低范圍為0.05～0.45 m之間，當開挖進度大于0.95 m時，應力值出現增加的現象，可見，柱式結構形成的充填體-直接頂復合承載結構增加了直接頂的承載能力，承載力在巖層間傳遞，間接增強了亞關鍵層的支撐力，支撐力的增加使得巷道的圍巖變形減少，柱式充填后復合承載結構的支撐力足以支撐工作面的推進。

表2 柱式結構充填開采時亞關鍵層垂直應力變化表MPa

4 結語

通過對煤礦結構充填開采基礎理論和柱式結構充填開采復合承載結構穩定性分析，得到在工作面推進過程中進行充填柱進行開采，可以提高直接頂的承載能力，通過現場應用實現了充填體-直接頂復合承載的目的，承載力可傳遞至頂板亞關鍵層，從而為工作面生產提供了安全穩定的空間。