充填步距對矸石充填開采覆巖運動影響的數值模擬

郭鑫 李全水

山東省新汶礦業集團翟鎮煤礦 山東新泰 271204

1 工作面概況

翟鎮煤礦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，屬于結構簡單、厚度穩定的中厚煤層。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支護，巷內采用錨桿支護。依據鉆孔柱狀圖，可以看出該工作面的老頂為細沙巖，灰黃色，裂隙發育，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分層構成的復合頂，直接底為灰色-灰白色細砂巖，成分以石英為主，顆粒均勻，分選佳，膠結物以硅質及泥質為主，孔隙膠結，細水平層理，f=4.0。其巖石力學參數如下表：

表1 煤巖層巖力學參數

2 不同充填率下矸石充填開采覆巖運動的數值模擬

2.1 數值計算模型的建立

根據7402E工作面開采地質條件，建立三維數值計算模型。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。據此本次模擬模型尺寸為200×200×110（長×寬×高），工作面長90m，兩側各留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，模型側面和底面限制移動，計算中煤巖采用彈塑性本構模型，屈服準則采用Mohr-Coulumb準則。

圖1 三維數值計算模型

2.2 不同充填步距矸石充填開采覆巖運動的位移云圖

為研究不同充填步距矸石充填開采覆巖運動規律，本次研究中充填步距的參數變量分別為0.6m、1.2m、1.8m和2.4?；贔lAC3D數值模擬軟件，得到了不同充填步距下工作面推進至120m時的覆巖沉降位移云圖。

圖2 工作面推進至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動規律數值模擬分析

不同充填步距下，工作面推進至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）當充填步距為2.4m時，頂板沉降位移峰值可達16.2cm，已接近下方充填體，且直接頂最大下沉區邊界位置距離工作面僅有12m；當充填步距為0.6m時，頂板沉降位移峰值僅為7.9cm，且直接頂最大下沉區邊界位置距離工作面可達24m。

（3）當充填步距為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 結語

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

（2）當充填步距發生變化時（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，而且對實現工作面采充平行作業提供安全空間。根據數值模擬情況，結合7402E面實際充填，選取0.6m為最佳充填步距。