■李典韩兴华

（1山西省临汾市乡宁县煤炭工业局 山西乡宁 042100；2山西省盂县晋盂煤业（集团）有限公司 山西盂县 045100）

乡宁县某矿充填开采可行性研究

■李典1韩兴华2

（1山西省临汾市乡宁县煤炭工业局 山西乡宁 042100；2山西省盂县晋盂煤业（集团）有限公司 山西盂县 045100）

以山西乡宁某矿为例，采用FLAC3D数值模拟软件，对比研究了垮落法与充填法开采时采场应力分布及位移变化情况。结果表明：充填开采与垮落开采一样，在推进过程中都存在着应力增高区、应力降低区和原岩应力区，但其支撑压力的峰值、集中系数和影响范围均有明显减弱，控制地表效果明显。

充填开采三下压煤数值模拟

0 引言

山西省临汾市乡宁县煤炭资源储量丰富，是中国三大优质主焦煤产地之一，境内煤矿企业众多。随着近半个世纪的开采，多数矿井开始面临“三下开采”中的村庄压煤问题[1]。解决村庄压煤的传统解决方案是整村搬迁或条带法开采，但前者耗资巨大且容易导致矿企矛盾，后者资源采出率低且控制地表下沉效果不理想。因此，解决村庄压煤的关键是寻找一种既能满足控制地表下沉要求，又能实现较好经济效果的开采技术。近些年来，众多学者通过大量研究，把充填开采技术从金属矿山引入到煤矿，并取得了可喜的成绩[2-4]。本文用FLAC3D数值模拟的a方法对乡宁县某矿村庄下胶结充填开采进行可行性研究，分析其村庄下工作面充填开采时，采场应力分布及位移变化情况。

1 工程概况

该矿地处乡宁县东北部，经过40年的开采，除原“三下”压煤资源外，无其他可采储量。为了与接替矿井投产相衔接并为集团下其他相似条件矿井进行技术储备，确定对该矿附近某村庄的保护煤柱采用胶结充填的方法进行开采。该充填开采区域内，主采煤层为2#，煤层平均埋深210m,平均厚度为2m，倾角平均为3—6°，为近水平煤层。设计在充填开采区域内布置长壁充填综采工作面，工作面长100m，推进长度200m，全采全充。工作面实行两采一准的“三八”制，充填工序与准备班平行作业，充填步距2m。

2 FLAC3D数值计算模型

该矿数值模型的上边界为地表，下边界为煤层底板以下9m，模型上下高度213m。考虑到充分采动的影响，模型倾向长300m，走向长400m。工作面研究区域网格划分10m一格，两边成比例递减，模型共划分70800单元，76260节点，如图1所示。围岩模型选择摩尔—库伦模型，围岩力学参数按实际地质参数，模型侧面限制水平位移，底部固定。

图1 网格划分图

3 模拟结果分析

3.1 垮落法开采

图2为垮落法开采200m时，工作面走向应力分布和位移分布。由图可以看出，垮落法开采时，在工作面前方煤壁处出现应力集中，工作面后方采空区处于应力降低区，且顶板岩层的最大下沉量处于采空区的中部。采空区内无充填体支撑时，随着工作面的推进，直接顶和老顶完全垮落，导致地表变形严重。图3为垮落法开采200m时的地表下沉值，由图可知，地表下沉值为350mm,下沉范围与开采沉陷学中的下沉盆地相符合。

3.2 充填法开采

图4为充填法开采200m时，工作面走向应力分布和位移分布。由图可以看出，充填法开采时，在工作面前方应力集中，工作面后方应力降低，且顶板岩层的最大下沉量处于采空区的中部，但其应力峰值和下沉峰值远远小于其垮落法开采时的峰值。这是由于充填体在采空区内产生一定的强度，支撑直接顶，减小了上覆岩层的破坏和下沉，降低地表变形移动。图5为充填法开采200m时的地表下沉值，由图可知，地表下沉值为45mm，远远小于垮落法开采时地表下沉值。

图2 垮落法开挖200m时应力和位移分布

图3 垮落法开采200m时地表下沉盆地

图4 充填开采200m时应力和位移分布

4 结论

该矿采用胶结充填开采技术对村庄下压煤资源进行置换开采与垮落法相比，充填开采能有效降低工作面前方煤壁应力和采空区上方顶板岩层下沉值，可有效控制地表变形，保护地表构筑物不受破坏。

图5 充填开采200m时地表下沉盆地

[1]杜计平，汪理全.煤矿特殊开采方法 [M].徐州：中国矿业大学出版社，2003.

[2]刘勇.矿山充填采矿新技术 [M].北京:中国知识出版社，2007.

[3]冯国瑞,任亚峰,张绪言,郭育霞,康立勋.塔山矿充填开采的粉煤灰活性激发实验研究[J].煤炭学报,2011,05:732-737.

[4]孙恒虎.当代胶结充填技术 [M].北京：冶金工业出版社，2002.

TD82[文献码]B

1000-405X（2015）-10-391-1

李典（1987～）男，硕士，助理工程师，研究方向为煤矿安全管理及开采技术管理。