浅析长壁机械化掘巷充填采煤围岩结构稳定性

浅析长壁机械化掘巷充填采煤围岩结构稳定性

肖焕春

云南省曲靖市富源县煤炭行业局后所分局云南富源655501

摘要：本文阐述了长壁机械化掘巷充填采煤方法。在对该采煤方法，系统阐述其巷道布置工艺、充填工艺后，又对该项技术的关键与难点进行了分析。大量的实际案例表明，该技术的运用，能够有效保持工作面地层结构的稳定性，同时控制上覆隔水层，以及岩层的移动，使煤炭资源的回收率得以提高，可为生态脆弱区域的煤矿开采与环保发展提供有益参考。

关键词：掘巷充填采煤;围岩稳定性;

1.工程实例

该处煤矿的井田，东西方向长度为3.5km，南北方向的宽度为1.4km，整个井田的形状，好像一个平行四边形，面积大约为4.82km2。矿井的3号煤层为其主采煤层，属特厚煤层，其稳定性比较强。东南部井田的煤层埋深相对而言比较浅一些，向西北部延伸的过程中，煤层埋深逐渐增大，煤层缓缓倾向北西，倾角均值约为0.5°，埋深约以10.04m/km幅度下降，煤层的埋深均值约为130m。矿井的基本顶，为厚度在4.48m～33.2m之间的，中细粒长砂岩。直接顶主要是砂质泥岩，岩石连续分布，为抗压、抗拉强度比较大的，半坚硬—坚硬岩石，未见裂隙发育，渗透性与富水性均较差，属II类中等冒落顶板。底板主要为粉砂与岩泥岩，厚度为0.10m～9.28m，岩石的结构比较简单，分布比较稳定，抗压强度也很大，鲜少出现底臌现象。该矿许多已开采区域，近年来陆续出现了不同程度的地表沉陷，以及遗留煤柱失稳等地质问题。为使上述失稳、塌陷问题得以妥善解决，在对剩余部分煤矿进行开采时，拟采用长壁机械化掘巷充填采煤技术。

2采煤技术概述

2.1采煤工艺分析

长壁机械化掘巷充填采煤方法需要利用综掘机，在传统采煤的基础上，在工作面的两巷间，开掘联络巷，进行掘巷采煤，贯通联络巷后，再充填入一定的充填材料，于此同时，展开对另一条联络巷的掘进，实现“循环作业，逐巷充填”的掘巷采煤方法。按照矿井下的围岩控制要求，以及实际地质条件，可以选择胶结或固体充填材料，进行充填。该技术投资低、效率高、操作起来比较简单、控制覆岩移动的效果比较好，特别适用于那些“三下”压煤条件下，中型矿井或小型矿井的煤层开采。该技术的工艺，可分为开采与充填两部分。开采工艺包括，综掘机的掘巷采煤环节，装载机的装煤环节，以及带式输送机或者无轨胶轮车的运煤环节等。充填工艺根据不同的充填设备、材料，必然存在这样那样的差异性，譬如，胶结材料主要通过管路泵送方式，向掘采巷道内充填;而固体充填材料，则大多以运输、抛料的方式，对掘采巷道进行充填。

2.2核心技术分析

首先，长壁机械化掘巷充填采煤，需要掘采作业与充填作业同时进行，具有高效循环性。为保证实施该技术的过程中，在时间上保持采煤、充填的连续性，以及空间上保持独立性，选取适合的充填材料，是一个重要前提。胶结与固体充填材料，无论是在材料组成上，还是在力学特性上，差异均非常大。所以，必须需要针对矿区具体的地质条件，不但要求实现充填的良好效果，还应该尽可能降低成本，选择合理的充填材料是实施该技术的一大难点。

其次，长壁机械化掘巷充填采煤技术，采用巷式循环开采方式，在掘巷采煤的过程当中，因应力大，相邻煤柱、巷道易受破坏。所以，合理的确定工序，对留设巷柱宽度、掘巷宽度进行优化设计，可以保证安全性以及出煤率，是另一个关键点。另外，实施掘巷充填开采技术后，在上覆岩层的长期作用下，遗留煤柱与充填体会逐渐被压实，慢慢稳定下来，开采后的充填效果，对于覆岩中的裂隙发育程度，以及与覆岩状况的稳定性，具有决定性影响，这是该技术应用的第三个难点。基于以上分析，在进行掘巷充填开采时，技术关键如下:首先，合理选取充填材料，发挥该项技术的高效性、连续性;其次是合理组织开采工序，降低采动应力造成的影响，使围岩保持稳定，提高出煤率;还有就是保证后期的充填效果，能够满足控制要求。

3围岩稳定性的分析

3.1围岩的力学模型

根据所用充填材料的不同，为确保在实施掘巷充填开采技术的过程中，围岩能够保持稳定，往往可留设窄巷柱，对围岩的变形与运移，进行支撑、控制。在本文案例中，掘采与充填需要分两阶段依次进行。第二阶段掘采完成后，进行充填前，留设两侧煤柱，和相邻的充填材料一起，对覆岩予以支撑，这一阶段是控制围岩变形、移动的关键时期，留设煤柱不得变形、失稳，为接下来的充填环节，提供充足的空间与时间。所以，留设煤柱的承载效果是否良好，是该技术的一个关键问题。本文中，视遗留煤柱为同样的受压弹性体，建立弹性模量Eb，压实充填材料的过程中，充填体在缓慢变形阶段时，其应变－应力关系分布，几乎呈线性，所以充填体亦可视为线弹性体，根据弹性体具有的力学原理，获取在充填体上发生的应力－应变关系，因为采场的力学模型。其结构与受力均是对称的，所以只需分析其一半即可，将顶板视为承受上部岩层载荷，与下部煤柱、充填体支承的地基梁。o点设在巷道中部，La表示一半巷宽，lb表示煤柱宽度，lc表示的是充填体的宽度，q表示上覆岩层平均载荷分布，kb表示等效于留设煤柱的弹性地基系数，kc表示的是等效于充填体分弹性地基系数，w(x)表示顶板的挠度。通过Winkler假设，可以得到w(x)与q、p(x)之间的关系为

其中开采未充填巷，充填体与煤柱之上的顶板挠度如下式所示：

将矿井实际参数代入其中，常数C1，C2，C3，…，C10即可求得，从而获得顶板下沉的描述方程w(x)。

3.2遗留煤柱承受载荷分析

单个煤柱承载区域的坐标范围是，通过积分获取单个煤柱的载荷如下公式所示：

通过MAPLE数学计算软件积分得到单个的煤柱载荷如下式所示:

把具体的工程地质参数代入到上述公式中，则可计算得到任意位置的煤柱载荷量。

3.3遗留煤柱合理尺寸分析

采用极限强度理论对煤柱稳定性进行判别，其判别式

式中，p为作用在煤柱上的应力;k为安全系数，一般

取2.5～4.0;σp为煤柱极限强度。本文案例使用的充填材料中，包含黄土、胶凝剂、风积沙三种成分，应力—应变测试曲线如下图所示：

图3充填材料应力－应变曲线

由图3可知，方案Ⅱ中选用的充填材料，具有最强的抗变形能力，其应力－应变关系，前期几乎呈线性分布，所有充填材料本身的弹性地基系数，大约1.5×107N/m3，实际应用于现场中的充填时，即选用方案Ⅱ进行配比。经实验测试，结合该矿井下的实际条件，本文案例中，取安全系数为3.3，将掘巷充填开采矿区的工作面巷宽最终设计为7.0m，煤柱宽度留设为3.0m，符合现场开采应用要求。

4.围岩结构稳定性分析

以长壁机械化掘巷充填方式采煤后，延安组泥岩类层间裂隙承压水隔水层的下沉值，最大为50.6mm，新近系静乐组红土隔水层的下沉值，最大为39.5mm。开采工作面的过程当中，顶板未出现破断，隔水层未见裂隙发育，对矿区的岩层稳定性、隔水性控制效果较好。

5.结束语

利用长壁机械化掘巷充填采煤方法，从实际上看可大幅度提升煤炭资源的开采效率，可有效促进煤炭资源的开采规模，推动我国环境保护与开采工作的协调发展。

参考文献

[1]综掘面粉尘运移规律数值模拟及实测研究[J].贾凯.山东煤炭科技.2017(07)

[2]司马矿综掘面粉尘运移规律研究[J].王伟.山东煤炭科技.2017(07)