充填采矿矿压显现与岩层移动规律研究
当前，全国“三下”压煤问题突出，解决村庄压煤问题十分紧迫。
冀中能源峰峰集团通顺矿业公司通过开展矸石似膏体充填不迁村开采保护煤柱的研究与试验，为探索解放村庄等煤柱的技术找到了新途径。
标签：充填开采矿压显现岩层移动保护煤柱规律
冀中能源峰峰集团所在的峰峰矿区有130多年开采历史，“三下”压煤量大面广，严重制约矿井生产接续。
如何解放村庄压煤是一个十分重要、又迫切需要解决的难题。
峰峰集团通顺矿业公司开展的矸石似膏体充填不迁村开采金村和工业广场附近保护煤柱的研究与试验，为探索解放村庄等煤柱找到了一条新途径。
1 项目研究内容
1.1 充填法采矿顶底板岩层力学性质演化规律研究
针对峰峰公司矿区煤炭赋存的条件，进行充填法采矿时顶底板岩层力学性质演化规律研究，研究直接顶、老顶、直接底、老底在充填法管理采空区后力学性质的演化规律，为弄清充填法采矿矿压控制与岩层移动规律提供理论支持。
1.2 充填法采矿充填料力学及变形特性研究
系统研究充填法采矿的力学性质及变形规律，研究充填料的密实性、碎胀性、强度及充填后变形特性，弄清所用充填材料的性质，为研究充填后采空区顶底板演化规律提供依据。
1.3 充填法采矿矿山压力显现以及上覆岩层移动规律研究
系统研究充填法采空后采空区矿山压力及岩层的移动规律、采煤工作面矿压显现及煤壁变形移动规律，弄清充填法采矿的矿山压力及岩层的移动规律及对采煤工作面煤壁产生的影响。
1.4 充填法采矿对底板影响范围及程度研究
系统研究充填法采矿对底板影响范围及程度，研究充填法采矿底板内应力场演化、变形及内部结构变化程度及范围，弄清相应的规律。
为制定充填法采矿制定合理的底板管理措施提供理论支持。
2 主要研究成果
2.1 充填材料配比优化
对峰峰集团所在地附近的充填材料的来源进行了详细的调查、取样。
根据现场充填过程中发现的问题，对充填料进行了优化研究，优化后的充填料配比如下：
骨料为陶矸或细粒新鲜煤矸石，粒径介于5~10mm；
水泥：粉煤灰：煤矸石=1：4：15；
质量浓度为72～75%；
复合减水剂添加量为1.0-1.5%（水泥与粉煤灰质量和的百分比）；7d充填体强度应不低于0.7Mpa。
优化后的充填料特点：
①提高了充填体的强度。
充填体强度从优化前的9.9MPa提高到17.3MPa。
②提高了充填过程的顺畅性，减少了堵塞管路的次数。
降低阻塞管路次数为原来的三分之一。
③节约了充填成本和需水量。
充填成本从54.15元/t减少到的47.2元/t。
④满足了前进式开采通风要求。
优化后的充填体极大的降低了充填区域的漏风量，满足了前进式通风的要求。
⑤降低了地表沉陷量。
从优化前的最大120mm降低到现在的最大68mm。
2.2 充填开采岩层移动规律
为了获得顶板岩层移动规律，通顺矿业公司在工作面顶板的不同部位采取深孔、浅孔布置离层仪法进行顶板移动规律监测，其中深孔孔深7.0m，浅孔孔深3.0m。
充填采矿直接顶岩层移动规律较简单。
随着充填采矿的推移，直接顶岩层移动呈先较快增加，达到一定量后基本保持不变；而处于稳定后充填体、充填体、煤岩体构成的稳定承载结构支撑的充填体顶板直接顶下沉量变化较小，下沉量呈先急剧增加，后迅速减小，而后保持恒定规律，充填越久的区域，直接顶离层量越小。
采空区顶板老顶运移情况呈现先缓慢增加、又有小幅降低、再基本保持恒定值不变的规律。
由充填体单独承载顶板压力的区域老顶变形较大，而处于稳定后充填体、煤岩体构成的稳定承载结构支撑的充填体顶板老顶下沉量变化很小，基本保持恒定不变规律。
充填采矿时，矿山压力对于采掘空间部分的顶板作用明显转移到由充填体、采掘空间煤岩体形成的稳定支撑体系上，顶板受到的采动影响明显小于传统的垮落式采煤方法。
采用充填法采矿时，顶板岩层移动没有明显的“上三带”分布，即垮落带、裂缝带、弯曲下沉带。
直接顶最大下沉量为25mm，下沉量主要由充填欠顶量、充填体密实压缩量和充填体承载后压缩量组成，且随
着充填后时间的延长呈下降趋势，说明顶板岩层整体移动变形量较小；老顶和直接顶最大下沉量之差约为20mm，没有老顶直接顶离层。
沿工作面推进方向上存在不明显的“三区”分布，即煤壁支撑影响区、离层区和重新压实区，但明显比采用垮落法“三区”区分小的多。
在概况开采条件下，煤壁前方塑性区宽度10.3m，底板最大破坏深度为6.05m。
巷道围岩变形在时间上表现为：处于沿空留巷侧的充填稳定区域之内的巷道围岩变形规律呈先增加、达到一定水平不变化的趋势，且总的位移量较小，不大于50mm；处于沿空留巷侧的充填稳定区域与采煤工作面之间巷道围岩运移规律呈现缓慢增加且增速很小趋势；溜子道侧的充填稳定区域巷道围岩移动量很小，几乎为0；沿空留巷侧的采动影响区内巷道围岩变形量比较急剧、数值较大，而后又减小。
在空间上表现为：距工作面距离小于30m时，巷道两帮的移近速度随着距工作面距离的增加而减小。
超过30m后，巷道两帮移近速度略有上升，但上升幅度很小。
2.3 充填开采矿压显现规律
矿压观测点布置顶测力锚杆6组、帮测力锚杆6组。
充填采矿时，随着距工作面距离的增加顶板内的应力状态呈现先小幅下降、后小幅增加又下降的趋势。
随着工作面的不断推进，支架工作阻力总体在较小水平上下波动；应力集中不明显。
工作面的采动作用对围岩应力场分布的影响范围远小于垮落法采煤，工作面顶板岩层中存在不明显的三区划分，即：增加区、减压区、稳压区，增压区增压幅度为原应力值的0.8倍，增压区为超前工作面10m的范围内、减压区位滞后工作面8m的范围内。
充填工作面初次来压不明显，矿压值变化幅度较小且呈连续变化趋势，来压步距约为60m，初次来压原因可能是充填体形成稳定支撑结构前前煤层顶板的弯曲下沉导致达到最大值的一种表现，而不同于老顶初次断裂来压。
工作面周期来压不明显的，仅周期性的出现小幅矿山压力值的增加，步距约为40m，周期来压原因可能是充填体与围岩逐次形成稳定支撑结构所致。
充填体对采空区的支撑作用主要表现在改善围岩的受力状态、改善围岩的内部结构和转移矿山压力的作用。
充填体变形呈充填体中部大、靠近巷道侧小，且充填体距离工作面超出60m后，充填体压缩量呈现向以恒定值靠近趋势。
充填体的变形主要包括充填体密实变形、压缩变形两部分组成。
在垂直工作面推进方向的形成支撑强度的充填体内，靠近采掘巷道侧的充填体内应力较小但变化明显，位于充填体区域中部范围内的充填体应力状态较高且变化较小。
充填体内的应力状态呈中部大、两侧小的趋势呈倒缓“U”型；两侧区域应力的变化率要大于中部区域，呈“U”性。
自工作面至形成稳固支撑结构后的充填体范围呈台阶形分布，大致可分为三个区。
2.4 充填开采地表移动变形规律
为了对重点监测部位——金村进行地表移动变形规律监测，在金村不同典型位置设置测点14个，对地表受采动影响的在整个过程的地表移动变形规律进行监测。
采用充填开采法不但能够解决煤矿企业的煤矸石排放问题，解放出宝贵的土地资源，解决煤矸石对大气和水资源的污染问题，而且可以有效开采宝贵的煤炭资源，具有显著的经济效益和社会效益。
通顺矿业公司采用充填开采时，地表最大下沉仅有68mm，遭受的变形破坏完全满足“三下”规程规定的I级破坏。
地表下沉情况表明充填法采矿对地表保护作用非常明显。
3 效果分析
①截止目前，已经顺利回采煤炭约14.5万t，煤炭市场价格按750元/t，创产值10875万元，生产综合成本434.15元/t，实现效益4580万元。
②岩层移动与矿压显现规律表明，充填法开采无明显的“上三带”划分和“前三区”划分，矿山压力对底板影响很小，无明显初次来压和周期来压。
③采用充填开采法不但能够解决煤矿企业的煤矸石排放问题，解放出宝贵的土地资源，解决煤矸石对大气和水资源的污染问题，而且可以有效开采宝贵的煤炭资源，具有显著的经济效益和社会效益。
通顺矿业公司采用充填开采时，地表最大下沉仅有68mm，遭受的变形破坏完全满足“三下”规程规定的I级破坏。
地表下沉情况表明，充填法采矿对地表保护作用非常明显。
