大倾角煤层充填开采技术研究

王 侃

（潞安化工集团寺家庄公司，山西 昔阳 045300）

0 引言

实施大倾角煤层地下矿产资源开采时，因为其地层结构较为特殊，所以务必要制定切实可行的保护方案，避免损伤到矿井岩层，从而引发岩层偏移或是地表沉陷的问题，甚至危害到地面农田、构筑物以及公共设施。除此之外，在采矿时有许多固体废弃物，如煤矸石等产生，如若不将其进行妥善处置不但会导致交通受阻，而且还会破坏到周边环境。在此背景下填充开采技术应运而生，该项技术不仅能够避免开采过程中大倾角煤层发生沉降，而且还能有效循环与利用固体废弃物，具有良好的发展前景。

1 大倾角煤层概述

煤层的倾斜状况可分为三类：倾角小于25°的为缓倾斜煤层，25°～45°之间的为中倾斜煤层，而倾角超过45°的则属于急倾斜煤层。在实际煤矿开采作业中，常将倾斜角度超35°的煤层统称为大倾角煤层。

山西省某煤矿3203 工作面煤层倾斜角度45°，煤层厚度4.5～7 m，岩体为含砾中粗砂岩，岩层坚硬，为大倾角煤层。其顶端和底端的岩体结构与水平、缓斜煤层的结构相比较，因受地质构造作用的影响，造成了严重的损害，其特性分析如下：

1）因煤层倾斜角度过大，开采过程中采空区上覆盖垮落煤矸石在重力作用下滚落至底端，从而导致采空区顶端煤矸石悬空，底端煤矸石堆积。

2）因重力的作用，工作面会在倾斜方向上缓慢地运动，导致顶板下陷，底板凸出，从而影响到覆盖层的支撑，从开采面向中轴方向逐渐过渡，呈现出典型的不对称支撑[1]。

3）因开采工作面倾斜缓慢移动，若无额外保护措施，底板会因岩层移动而稳定性降低，并逐步破裂，造成工作面支护系统失衡，严重时导致工作面破坏、地表塌陷等情况发生。

2 填充开采技术及其应用

2.1 填充物质充填开采

填充开采技术是一种利用特定的填充物质填充矿井空间的采矿方法。这种技术旨在通过在矿井中注入固体充填物质，如煤矸石、尾矿、水泥浆等，来填充矿井中的空洞和空隙，同时又能有效地抑制岩体崩塌，维护矿区地表正常的生态环境。常用填充材料有注浆胶结、膏体、超高水材料、煤矿似膏体等，应根据实际生产需要，选择适当的填充物质。注浆胶结充填工艺主要有采空区高密度浆料充填工艺和离层带注浆充填工艺两种。前者是将采空区外部生产的高密度浆料通过专用管道运送到采空区，然后再对采空区中的岩体进行再压缩成形。后者是近年来兴起的一种动态控陷法，其特征是在掘进过程中，对可能发生的离层现象进行监控，在发生离层情况时，在对离层中利用钻孔等方法进行充填，利用填充物质形成支承的实体结构，从而达到控制岩层下沉的目的。膏体、超高水材料、煤矿似膏体等充填开采技术此处不再赘述[2]。

2.2 矸石滑移充填

开采过程中采空区上覆盖垮落煤矸石在重力作用下滚落至底端，从而导致采空区顶端煤矸石悬空，底端煤矸石堆积。呈现出工作面底部充填密度较大，充填块度大小相互级配，强度较高，中部充填疏松，块度大、强度低，顶部填充量少的特点。不同充填程度对顶板在不同部位的限制条件也有一定的差异，导致周围岩体的应力重新分布，在开采作业的斜坡下方，由于上部煤矸石的重力和顶板的压力，构成密集充填区域。这一区域的形成，有效地提高了充填开采的效果，确保了开采作业的安全和效率。

相对于填充物质充填开采技术，矸石滑移充填技术不要求其他充填材料、设备或额外的动力投入。它能够迅速、有效地减少地表运动和塌陷，有效减轻工作面的压力，为当前大倾角煤层开采主流充填技术。

3 矸石滑移充填顶板力学模型建立与分析

3.1 矸石滑移充填顶板力学模型建立

在大倾角煤层倾斜推进的过程中，受煤矸石充填体的致密填充，工作面下部的顶板在煤矸石的支撑下，矿井压力减小，进而降低支架、煤壁等承受的冲击力和动载系数[3]。所以能够把大倾斜煤层长壁开采工作面下部的矸石密实区的顶板（基顶）当做超静定梁结构，其中工作面的矸石填充以及煤墙各支持该结构两端，在此状况下，简单化处理平面应变受力问题，将“煤体-支架支撑区-矸石充填体”耦合作用的工作面下部顶板岩梁力学模型设置于工作面密实充填区剖面。模型示意图如图1 所示。

图1 矸石滑移充填顶板力学模型示意图

3.2 矸石滑移充填受力分析

设岩梁厚度h，顶板为1 个单位长度，得到“煤壁-支架-矸石充填体”耦合支撑结构。其受力分析示意图如图2。其中：a 为支撑区宽度值；b 为矸石充填物宽度值；l 为岩梁总长为定值；H 为埋藏深度；ML为岩梁左端的弯矩；MR为岩梁右端的弯矩；FRL为岩梁左端支座反力；FRR为岩梁右端支座反力；q1为覆盖岩层载荷；q2为支撑区载荷；q3为充填矸石载荷。

图2 岩梁受力分析示意图

设α=a/l，β=b/l，由结构力学如式（1）所示：

公式（1）中，在岩梁两端受支架及填料的支持下，其反力ql/2 比垮落采矿时固定岩梁两端的反力要小。在工作面由下往上，煤矸石对顶板的支撑能力q3降低，FRL值增加，说明大倾角工作面的边沿趋向,由底向上工作面前部的受力是逐步增加的。可以得出增加支架支撑力q2能够有效减少前部煤壁受力情况，对后续支护以及顶板管理有所帮助。

设岩梁剪切力为Q，根据结构力学如式（2）所示：

由公式（2）可知，岩梁位于区间[0，l]内且当x=0时Q 最大，同时，剪切力Q 随q2增加而减小。因此，增加支撑力F 有利于减少煤壁上的应力，降低煤壁片帮发生概率，利于开采工作面顶板管理。

4 工程实例

4.1 实地监测

利用KJ266 型矿压动态监测仪，对工作面支座前后立柱的工作阻力进行持续监测。该监测系统由地面和地下两部分组成。地面部分包括服务器、不间断电源和串口服务器，而地下部分则涵盖地下通信分站和支撑式压力传感器等设备。在综合机械化大采高工作面的斜度方向上，我们将其划分为3 个测区：下测区、中部测区和上部测区。

4.2 监测结果

对该综放工作面矿压从2021 年6 月—2022 年5 月持续动态监测1 年，结果如图3 所示。

图3 工作面下、中、上部区域工作阻力随时间变化图

1）从图3 中可以清晰地看到，工作面支架的负荷具有明显的倾斜方向特征。具体来说，中央区域的支架承受了较大的负荷，而上方和下方的支架负荷则相对较小。随着时间的推移，工作面支架的工作阻力利用率会有很大的变化。工作面上部，由于支架与围岩的接触状态不稳定，工作阻力利用率会最小。在中段方向，由于顶压较大，这种变化会向两侧延伸；

2）在作业区的上部区域，尤其是接近顶部的位置，岩石的移动现象尤为明显，这导致了支架的承载状况发生了显著变化。有时，还会出现局部的冲击现象。压力的表现形式呈现出一种规律，即按照“中部、上部、下部”的顺序依次展现出来[4]。

5 结论

1）开采大倾角煤层矿产资源过程中，煤矸石会滑到底板处，进而出现了局部、全面以及致密填充几个区域。通过运用力学模型来对其受力情况实施研究，数据表明，因为下部矸石充填，所以相较于上部与中部工作面而言，下部顶板以及媒体受力偏小。所以据此可知对工作面的油压支架组顶板支撑进行优化能够对其受力情况有所改善；

2）密切监督与检测大倾角煤层开采工作面支架工作阻力能够发现实施开采作业过程中，矸石冒落部分会顺着底板掉入采空区域，从而出现不规则充填带，这样使得顶板不同部位实际受力也有所差别，导致开采围岩受力情况发生转变。下部工作面对比上部与中部而言其矿压有所减小，不过来压无法及时显现，而该成果有助于提高开采煤层效率与安全系数。