武月江

（西山煤電集團有限責(zé)任公司 西曲礦，山西 太原 030053）

0 引 言

我國煤礦資源豐富，但賦存條件較為復(fù)雜，在進(jìn)行高瓦斯低滲透煤層開采時，由于瓦斯突出的危險需要在開采時采取防突的措施。目前常見的瓦斯防突開采手段為開采保護(hù)層，然而在不適用瓦斯保護(hù)層技術(shù)的礦井如何實現(xiàn)高瓦斯低滲透煤層的開采研究較少。矸石充填協(xié)同垮落法綜合開采技術(shù)是在原有采煤機技術(shù)基礎(chǔ)上的一種創(chuàng)新，矸石充填協(xié)同垮落法綜合開采技術(shù)是將矸石充填技術(shù)及傳統(tǒng)采煤設(shè)備布置在同一工作面的雙重開采技術(shù)，可以實現(xiàn)綜采面的高效開采[1-2]，但在矸石充填協(xié)同垮落法綜合開采技術(shù)運用過程中礦壓顯現(xiàn)及巖層移動是采煤技術(shù)得以實現(xiàn)的重要保障[3-4]，以西曲礦18202 綜采工作面為研究背景，對矸石充填協(xié)同垮落法綜合開采礦壓顯現(xiàn)及巖層移動情況進(jìn)行研究，為高瓦斯低滲透煤層開采提供一定的參考與借鑒。

1 礦井概況及數(shù)值模型建立

西曲礦位于山西太原西山煤田西北邊緣，礦井面積為15.7 km2，礦井設(shè)計生產(chǎn)能力為400 萬t/a，煤層傾角3°～15°，平均傾角5°，現(xiàn)主要開采8 號、9 號煤層，井田地質(zhì)構(gòu)造簡單，煤層穩(wěn)定。18202 工作面位于北三盤區(qū)中部，屬于近水平結(jié)構(gòu)簡單中厚煤層，現(xiàn)主要開采太原組8 號煤層，煤層平均厚度3.9 m。作為高瓦斯低透氣煤層沒有合適的煤層保護(hù)層。

矸石充填協(xié)同垮落開采技術(shù)由兩個部分組成，分別為傳統(tǒng)綜采段和矸石充填綜采段。綜采面主要機械設(shè)備布置為公用采煤機、公用刮板輸送機，矸石垮落段布置的機械設(shè)備有多孔底卸壓輸送機、液壓支架、機頭機尾升降平臺，傳統(tǒng)開采段布置過渡液壓支架、破碎機、運煤帶式輸送機、轉(zhuǎn)載機等。矸石充填協(xié)同垮落綜采技術(shù)可以實現(xiàn)矸石充填與采煤共同作業(yè)，具有設(shè)備搬家次數(shù)少，設(shè)備利用率高，煤炭資源浪費少的特點[5-6]。

矸石充填協(xié)同垮落法綜合開采覆巖的礦壓特性及覆巖移動特性與很多因素有關(guān)，針對西曲礦實際地質(zhì)情況，利用數(shù)值模擬軟件對覆巖的移動及礦壓的特征進(jìn)行分析。首先進(jìn)行模型的建立，模型的長寬高分別為640 m×328 m×107 m，完成模型的初步建立后對模型的四周進(jìn)行約束設(shè)置，限制模型四周邊界X、Y、Y 三向的位移[7-8]。根據(jù)覆巖的容重及埋深計算可得模型上邊界施加的均布載荷為22 MPa，本文選定摩爾- 庫倫模型，對模型的物理參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，模型的物理參數(shù)見表1。

表1 模型的物理參數(shù)參照Table 1 Physical parameter reference of the model

完成模型物理參數(shù)設(shè)定后，對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在模型的混合綜采面的頂板位置進(jìn)行細(xì)化分，在距離較遠(yuǎn)的位置粗劃分，完成模型網(wǎng)格劃分后共計526 670 個單元和566 293 個節(jié)點，網(wǎng)格劃分模型如圖1 所示。

圖1 網(wǎng)格劃分模型Fig. 1 Mesh partitioning model

2 數(shù)值模擬分析

首先對不同矸石充填段長度下混合綜采覆巖的垂直位移云圖進(jìn)行模擬，模擬結(jié)果如圖2 所示。

圖2 不同矸石充填長度下覆巖垂直位移云圖Fig. 2 Cloud map of vertical displacement of overburden under different gangue filling lengths

如圖2 可以看出，當(dāng)矸石充填段為100 m 時，此時的覆巖最大移動偏離距離綜采面的中心約38 m，此時沿著工作面傾向，頂板巖層的變形量呈現(xiàn)階梯形分布，在矸石充填范圍內(nèi)的頂板變形量小于垮落段的頂板下沉量，在矸石充填段中心位置的頂板變形量為1.7 m，垮落段的頂板最大變形量為3.08 m，當(dāng)矸石充填段長度為120 m 時，此時覆巖最大移動偏離距離綜采面的中心的距離為50 m，矸石充填段的頂板最大變形量為1.92 m，較矸石充填長度100 m 時的最大位移變形減小了0.22 m，在垮落段的最大頂板下沉量為3.06 m。當(dāng)矸石充填段長度為150 m 時，此時覆巖最大移動偏離距離綜采面的中心的距離為55 m，矸石充填段的頂板最大變形量為2.24 m，較矸石充填長度100 m 時的最大位移變形減小了0.54 m，在垮落段的最大頂板下沉量為3.03 m。對比可以看出，隨著矸石充填長度的增加，在矸石充填段頂板下沉量的最大值有了一定的降低，而垮落段的頂板最大變形量幾乎不發(fā)生變化。同時對比發(fā)現(xiàn)隨著矸石充填長度的增加，覆巖最大移動偏離距離綜采面的中心的距離逐步增加[9]。對不同矸石充填長度下頂板的應(yīng)力情況進(jìn)行研究，不同矸石充填長度下頂板應(yīng)力曲線如圖3 所示。

圖3 不同矸石充填長度下頂板的應(yīng)力云圖Fig. 3 Stress cloud diagram of roof with different gangue filling lengths

從圖3 可以看出，隨著矸石充填長度的增大，18202 綜采工作面的上覆巖應(yīng)力整體呈現(xiàn)下降的趨勢，且垮落段頂板應(yīng)力明顯小于矸石充填段應(yīng)力值，當(dāng)矸石充填長度為100 m 時，矸石充填段頂板的應(yīng)力平均值為13.3 MPa，垮落段的應(yīng)力均值為6.87 MPa，矸石充填段應(yīng)力均值與垮落段應(yīng)力均值的比值為1.94。當(dāng)矸石充填長度為120 m 時，此時的矸石充填段頂板的應(yīng)力平均值為13.02 MPa，垮落段的應(yīng)力均值為6.38 MPa，矸石充填段應(yīng)力均值與垮落段應(yīng)力均值的比值為2.04。當(dāng)矸石充填長度為150 m 時，此時的矸石充填段頂板的應(yīng)力平均值為12.44 MPa，垮落段的應(yīng)力均值為4.62 MPa，矸石充填段應(yīng)力均值與垮落段應(yīng)力均值的比值為2.69。對比分析發(fā)現(xiàn)，隨著矸石充填段長度的增加，矸石充填段頂板應(yīng)力均值有了一定的減小，垮落段頂板的應(yīng)力均值也逐步降低，兩者的比值呈現(xiàn)增大的趨勢，增加矸石充填段長度對垮落段影響效果較大[10]。

選定充填段長度為120 m，對不同充填高度下頂板應(yīng)力進(jìn)行分析，充填高度分別為1.6、1.98、3.2 m，頂板應(yīng)力曲線如圖4 所示。

圖4 不同充填高度下頂板應(yīng)力曲線Fig. 4 Roof stress curve under different filling heights

從圖4 可以看出，當(dāng)充填高度為1.6 m 時，此時充填段頂板的應(yīng)力均值為11.52 MPa，垮落段的應(yīng)力均值為7.01 MPa，充填段頂板應(yīng)力均值與垮落段應(yīng)力均值的比值為1.64。當(dāng)充填高度為1.98 m時，此時充填段頂板的應(yīng)力均值為13.02 MPa，垮落段的應(yīng)力均值為6.38 MPa，充填段頂板應(yīng)力均值與垮落段應(yīng)力均值的比值為2.04。當(dāng)充填高度為3.2 m 時，此時充填段頂板的應(yīng)力均值為14.08 MPa，垮落段的應(yīng)力均值為6.0 MPa，充填段頂板應(yīng)力均值與垮落段應(yīng)力均值的比值為2.35。對比發(fā)現(xiàn)隨著充填高度的增加，充填段的頂板應(yīng)力均值逐步增大，而垮落段的應(yīng)力均值減小，所以在充填段長度一定的情況下，充填高度越大，垮落段應(yīng)力越小，充填段應(yīng)力越大。

3 結(jié) 論

（1） 隨著矸石充填長度的增加，在矸石充填段頂板下沉量的最大值有了一定的降低，而垮落段的頂板最大變形量幾乎不發(fā)生變化。同時覆巖最大移動偏離距離綜采面的中心的距離逐步增加。

（2） 隨著矸石充填段長度的增加，矸石充填段頂板應(yīng)力均值有了一定的減小，垮落段頂板的應(yīng)力均值也逐步降低，兩者的比值呈現(xiàn)增大的趨勢。

（3） 在充填長度一定的前提下，隨著充填高度的增加，充填段的頂板應(yīng)力均值逐步增大，而垮落段的應(yīng)力均值減小。