综采工作面矸石充填技术初探设计专题报告

综采工作面矸石充填技术初探摘要：充填采煤法师利用充填材料充填采煤工作面采空区的岩层控制方法。该方法可以缓和工作面支承压力产生的矿压显现，改善采场合巷道维护状况，有效减少地表下沉和变形，提高采出率，保护地表建筑物、构筑物、生态环境和水体。按向采空区输送充填材料的动力不同，充填采煤法分水利充填、机械充填、自溜充填和风力充填。我国早在20世纪初就开始应用水砂充填采煤法，1957年得产量达到总产量的15.6%，目前水砂充填技术十分成熟。由于回采工序多，工艺复杂，充填系统投资大，吨煤充填成本提高等原因，20世纪70年代以后，应用的规模逐渐减小，目前通过充填方法开采额产量已明显下降。自溜充填只适用于急倾斜煤层开采。我国北票台吉矿，淮南孔集矿、四川中梁山矿曾有过应用，其共同特点是用矿车将矸石运至工作面回风平巷，并在工作面后方将矸石抛入采空区。该充填采煤法由于工序多，工效低，目前已少用。机械矸石充填对充填材料要求不严格，使用设备也较少，近年来在我国山东矿区有相当多的发展，并有推广的趋势。充填采煤法可用的充填材料较多，有河沙、矸石、煤粉灰、废油母页岩等。由于充填材料耗量大，成本相差较多，又直接影响输送费用，是决定充填成本的重要因素。充填材料选择的原则是：数量和质量基本上能满足充填方法的要求，且价格低廉，便于输送，有利于安全和当地环境。1引言“以矸换煤”备受瞩目 ,源于其具有极强的现实针对性和迫切的应用要求。国土资源部的资料显示 ,我国每采万吨煤沉陷土地面积达四五亩 ,过去 50 a 因采矿沉陷的土地达 950 万亩 ,引起的水土流失、土地荒漠化等多种灾害现象十分严重 ,引发的农民失地现象十分复杂;今后一个时期 ,我国煤炭开发集中度将进一步提高 ,土地塌陷问题更为突出。资料还显示 ,我国矸石积存量已达 415 Gt ,每年新增矸石0125 Gt ,占地超过15000公顷 ,约有130多座矸石山常年自燃 ,侵占土地 ,污染环境 ,且每年排放的污染物 ,正以数亿吨的速度递增。显然 , “以矸换煤”解决了传统开采工艺造成的生态与环境破坏问题 ,实现了资源开发利用最优化和生态环境影响最小化 ,值得推崇。但推广实施“以矸换煤”是一项艰巨而复杂的任务 ,不可能一蹴而就。国家政策支持是保障 ,煤企作为是关键。煤企要走上绿色开采新路 ,须解决好“想不想干”和“怎样干”的问题 ,应在以下两个方面有所突破。观念是行动的先导。长期以来 ,煤炭开采主要以保证安全、提高回收率、高产高效为目标 ,而忽视了大规模开采对耕地、环境的破坏。“以矸换煤”是对传统开采模式的挑战 ,必然与一些老观念、老做法产生冲突。特别在当前 ,煤炭价格节节攀升 ,煤炭企业效益普遍较好 ,易让一些人满足于现状。如果沉迷于惯性思维 ,陶醉于现有效益 ,新矿就不会有“以矸换煤”。资源开发必须与环境协调 ,这是采矿者的责任。推广“以矸换煤” ,迫切需要煤企转变观念 ,增强“与环境相依 ,与社会同步”的责任感。“以矸换煤”说起来容易做起来难 ,难在技术上。新矿为实现“以矸换煤” ,先后投入数亿元资金搞前期研发 ,经过上百人多年公关 ,建立了矸石直接充填置换煤的岩层控制理论 ,发明了矸石直接充填置换煤的方法、工艺与装备 ,期间获得专利技术30多项。实践表明 ,技术创新 ,是实现“以矸换煤”绿色开采的坚强支撑和强大动力。期待更多的煤企 ,面对资源紧缺、环境污染等现实 ,加快科技创新步伐 ,以科技进步为煤炭矿区可持续协调发展 ,开辟出越来越多的绿色路径。矸石机械充填或风力充填采煤法是利用机械或风力将充填材料矸石抛入或输入采空区的充填采煤法。我国有长期使用水砂充填的经验和成熟的技术, 作为一种适应我国国情的资源节约、环境友好的 但近年来水砂充填采煤法的应用范围和产量均在减少,随着对环境保护的要求日益提高,矸石充填采煤法已有较大的发展,并不断完善和发展,有取代水砂充填 采煤法的趋势。矸石充填采煤法的优点有: （1） 矸石充填采煤法不仅从根本上解决了我国 “三下 ”压煤开 采问题,而且用矸石置换出永久煤柱的煤炭资源。因此,矸石充填采煤法为煤炭资源的充分开发提供了一个新的技术支持,不仅缓解了我国煤炭资源相对短缺的压力,而且为煤炭企业带来新的利润增长点。（ 2） 矸石充填采煤法是一项处理和利用矸石的新思路。该方法可以把煤矿生产中所产生的煤矸石填入井下,实现矸石不上井、地面不建矸石山,从而解决了煤矸石大量堆积带来的环境污染问题和土地侵占问题。 （3） 矸石充填采煤法能够减少煤炭开采引起的地面塌陷,从 土地资源。 而减轻了地面塌陷对地面建筑和耕地的破坏,保护了土地资源。煤矸石自燃是矸石中碳物质燃烧。在煤矸石自燃的过程中，燃烧充分时主要生成CO：，燃不充分时则CO增多。此外还产生游离碳(表现为黑烟)，随着温度增高，部分矸石熔融，矸石山空隙减小，供氧出现不足，CO的产生量相对增多。CO由呼吸道进入人体，易与血红蛋白(Hb)相结合，生成碳氧血红蛋白(COnb)，阻碍血红蛋白向体内供氧，引发人的中枢神经系统和酶活性中毒。CO：则大部分进入大气中，大气中CO浓度增加，必然会对生态平衡带来一定影响，主要是加剧了“温室效应”。煤矸石在燃烧过程中，有机硫化物分解氧化生成s0。S0是无色但具有特殊臭味的刺激性气体，在人体吸入浓度低时，主要是刺激上呼吸道，引发气管炎等呼吸道疾病。煤矸石中的黄铁矿，在自燃过程中放出硫化氢(Hs)，这是一种对人有强烈刺激的难闻气体，对人体影响类似SO。煤矸石在运输、处理和加工过程中产生粉尘，对大气环境造成严重污染。此外煤矸石从排放一开始，到风化破碎之后较长时间一直慢慢地释放着它本身带有的甲烷(CH)，严重污染着大气。利用井下采空区处置煤矸石的充填采煤方法，既可以减少煤矿固体废弃物排放，又可以作为地下结构支撑体，减轻开采沉陷灾害，提高矿井资源回收率，是实现煤矿绿色开采的关键技术之一。近年来，随着高速动力抛矸机、矸石充填液压支架等关键设备的研制成功，长壁工作面高效矸石充填开采工业性试验在新汶矿区取得了初步的成功，为开采沉陷控制提供了一种新方法。本文在简要介绍长壁工作面矸石充填采煤原理的基础上，分析了长壁工作面矸石充填开采沉陷机理和过程，提出了矸石充填开采覆岩破坏和地表沉陷的预测方法；并结合兖州矿区某煤矿3 煤采区地质采矿条件，预测研究了矸石充填开采沉陷控制的效果。2长壁工作面矸石充填工作原理简介2.1长壁综采工作面矸石充填工作原理简述长壁综采是我国目前中厚煤层或厚煤层分层开采最常用的安全、高效采煤方法。长壁综采工作面矸石充填开采工艺包括长壁工作面综采和采空区矸石充填2部分。综采工作面采空区矸石充填是依靠专门研制的矸石充填综采液压支架后部的悬挂式矸石充填运输机来自动完成。充填矸石通过回风巷运矸皮带运至工作面端头并转载到液压支架后部的悬挂式矸石充填运输机上，通过矸石充填运输机的上刮板向下运输并向采空区充填矸石；下刮板向上推平漏矸孔下漏的矸石，并使矸石充填密实、均匀；随着矸石充填高度的增加，悬挂式矸石填运输机会随之上升，并利用其自重对矸石的反作用力来压实充填矸石1。如图 1 所示。2.1.1长壁普采或炮采矸石充填工作原理简介长壁普采或炮采仍是我国目前应用较普遍的采煤工艺，其最主要的特征之一是采用单体支柱和顶梁支护顶板。高速动力抛矸机是实现普采或炮采单体液压支柱工作面后方采空区矸石密实充填的关键设备，可将矸石高速抛入采空区进行充填理论分析和模拟试验研究表明3 ：矸石充填后的密实度与抛矸的初始速度密切相关。充填矸石在高速冲击作用下发生相互碰撞和挤压，不同粒径矸石间发生振动密实作用，可大大增加矸石充填的密实程度。高速动力抛矸机的结构和工作原理如图2 所示在工作面回风巷敷设运矸皮带，在工作面铺设一部运煤溜子和一部矸石充填溜子，端头安置高速抛矸机运煤溜子随工作面推进前移，矸石充填溜子随充填而缩短。依据充填量决定采煤量，可确保充填与采煤一体化作业2。其抛矸充填工艺流程和工作面开采平、剖面布置如图3 和图4 所示。 2.1.2 长壁工作面采空区矸石充填效果分析 当采用全垮落法管理顶板时，随着长壁工作面的推进，采空区顶板岩层首先在自重应力及上覆岩层重力的作用下，产生向下的移动和弯曲，当其内部应力超过岩层的抗拉强度时，直接顶板首先断裂、破碎并相继垮落而基本顶岩层则以梁、板形式沿层面法向移动、弯曲，进而产生断裂、离层。这一过程随工作面推进不断重复直至上覆岩层达到新的应力平衡状态，此时在地表形成比采空区大得多的下沉盆地。从上述分析可以看出，岩层移动的主要原因是煤炭的开采打破了上覆岩体的应力平衡状态，而垮落岩石的碎胀有效地减小了上覆岩体的下沉空间，是岩层移动停止的关键因素。当采用矸石充填采空区时，充入采空区的矸石体占据了采煤形成的大部分空间，限制了顶板垮落下沉量，这是有效控制上覆岩层移动和减轻地表沉陷的主要原因。充填采空区的矸石体经充分压实后可恢复其承载能力，相当于置换了等厚度的煤层（称为有效充填厚度）；如同岩层移动后期主要是破碎岩体的压实和上覆岩体中离层、裂隙的闭合一样，矸石充填开采岩层移动后期也主要体现为充填体的压实沉降。矸石充填后沉陷控制效果的关键在于矸石充填体对上覆岩层移动空间的减小程度。从这一观点出发，归纳出影响矸石充填开采覆岩破坏高度的主要因素包括：充填前顶底板移近量、矸石充填体的接顶距离、矸石充填体的相对压实度、矸石充填体的剩余压缩率等。下面依次分析各因素对沉陷控制效果的影响。(1) 充填前顶底板移近量与长壁工作面回采相比，采空区充填具有一定的滞后性，此时在矿山压力的作用下，液压支架具有一 定的压缩量，减小了采空区可供充填的空间高度。依 据经验近似估计矸石充填区域的顶底板移近量按最小值。 (2) 矸石充填体接顶距离 矸石属于散体材料，在水平和缓倾斜煤层条件下， 由于散体材料的流动性以及机械充填条件的限制，充填体与顶板之间总存在一定的距离，这一距离的存在为顶 板进一步断裂下沉提供了可能。对于综采面矸石充填液压支架设备来讲，接顶距离主要由以下 2 部分构成：液压支架后部顶梁厚度 （约厚200mm）和悬挂式矸石运输机厚度（约厚 270 mm）。因此从理论上讲，矸石充填体的接顶距离最好时可控制在 470 mm 以内。根据新汶矿务局翟镇煤矿矸石充填工业性试验现场实测，其接顶距约为 500 mm 左右。对于普采面高速抛矸充填工艺，使用高速抛矸皮带机械充填，抛矸速度可达 5 m/s 以上，充填接顶实，空隙小，充填效果接近水力充填，远好于风力充填；其接顶距离可控制在 150 mm 以内。(3) 矸石充填体的相对压实度矸石的压实度反映充入采空区的矸石的压实程度，压实度越大，则矸石充填体的密度越大，在上覆岩层荷载作用下二次压实量越小。对于传统的手工矸石充填与风力矸石充填来讲，由于缺乏压实的过程，导致矸石初次压实度较小，在上覆荷载作用下，二次沉陷量大，这也是传统矸石充填效果不佳的原因之一。用充填矸石液压支架和自压式矸石充填机进行采空区矸石充填，充填第二阶段的自充自压过程增大了石的压实度，减小了上覆荷载作用下充填体发生的二次沉降。(4) 充填矸石体剩余压缩率当老顶弯曲下沉、直接顶垮落下沉并与矸石充填体接触后，此时矸石充填体将开始承担上覆岩体荷载作用。受上覆荷载作用，矸石充填体将产生进一步的压缩，其剩余压缩率取决于矸石材料性质、上覆岩层荷载大小和充填矸石的相对压实度。相对压实度越高，则剩余压缩率越小。充填矸石体的剩余压缩率可以通过现场实测或实验室测定得到。在实验室进行的矸石压实试验表明：(1) 轴向应力较小时，矸石应变增幅很大。随着应力的增加，矸石应变增幅趋缓，最后逐渐趋向于稳定；(2) 矸石的碎胀系数随着轴压的增加而减小；(3) 在加压的初始阶段，矸石的碎胀系数减幅较大。随着轴向应力的增加，矸石碎胀系数减小的速率趋缓，并逐渐趋向于稳定。试验矸石原始碎胀系数为 1.74当压力达到 15 MPa以上时，压实度可达到 0.750.85 左右。2.1.3 矸石充填体的有效充填厚度长壁工作面矸石充填后的有效充填厚度就是充填矸石体在经过上覆岩层充分压实、岩层和地表移动结束后的剩余厚度。从上面的分析可以看出，近水平煤层条件下矸石充填体的有效充填厚度 M 矸为：式中：D 为矸石充填体厚度； 为矸石充填体剩余压缩率。前的顶板下沉、接顶距离和充填体压实等问题的存在，采空区上覆岩层仍将产生一定程度的破坏和移动变形，但其覆岩破坏和岩层及地表移动由于矸石充填体的制约而大大减轻。2.1.4 长壁工作面矸石充填的等效采厚为分析充填开采覆岩破坏和地表沉陷程度，本文提出 “等效采厚”的概念。即将矸石充填开采后采空区的剩余空间等价为一个等厚的薄煤层开采后形成的采空区，这样就可以应用常规的长壁垮落法覆岩破坏和地表沉陷有关经验公式进行充填开采的覆岩破坏高度和地表沉陷预测。长壁工作面矸石充填开采后的等效采厚主要由 3 部分组成：矸石充填前及充填过程中的顶板下沉量、矸石充填接顶距离和矸石的压缩量；该等效采厚可以用实际采厚与矸石充填体的有效厚度之差进行估计。则矸石充填开采等效采厚 M 等= M - M 矸式中：M 为实际开采煤厚。从前述分析可以看出，采空区矸石充填体的接顶距离和压缩量是决定矸石充填开采等效采厚的关键要素。因此，采取技术措施缩小接顶距离和提高矸石充填体密度是进一步改善矸石充填开采沉陷控制效果的主要途径。2.2 长壁综采工作面矸石充填开采覆岩破坏高度控制效果分析显而易见，采用矸石充填开采可大幅度降低覆岩导水裂缝带的高度，可借鉴长壁全部垮落法覆岩破坏规律的研究成果，结合等价采厚进行矸石充填导水裂隙带高度的预测研究。下面以新汶矿业集团某煤矿 3 煤采区为例，分析长壁综采工作面矸石充填开采覆岩破坏高度和地表移动变形情况。分析中假设在矸石充填前和充填过程中顶底板移近量为 100 mm；考虑到现场可能存在部分矸石颗粒过大和现场充填条件的复杂性，矸石充填体接顶距离按550 mm 考虑；矸石充填体剩余压缩率取为 17.5%T301 工作面是该矿 3 煤采区北部边界的一个近风化带工作面，工作面走向长240 m ，倾斜长 128 m，煤层底板标高-160 -176 m，最大煤层厚度8.40 m；上覆第 四 系 含 水 松 散 层 平 均 厚 190 m ， 基 岩 厚 度11.7420.17 m；煤层倾角平缓，平均为 5地面标高+46.8+47.6 m，地表主要为农田，附近有泗河东大堤需要保护。根据该矿各相邻工作面开采经验，可采用留设防砂煤岩柱的办法进行顶水开采，计划采用厚煤层分层矸石充填开采方法来研究该工作面留设防砂煤柱进行开采的可行性。根据“三下规程”中给出的中硬覆岩厚煤层分层开采全部垮落法管理顶板时的覆岩垮落带、导水裂缝带高度计算公式4 ，计算出全垮落法开采和矸石充填开采的覆岩破坏高度，如表 1 所示。从上表对比分析可以看出，若采用长壁分层开采全垮落法管理顶板，即使只开采第一分层，其垮落带也将非常接近第四系松散层底部，没有足够的保护层，溃砂或漏黄泥事故的安全风险极大。若采用矸石充填开采，第一分层开采后垮落带高度为 6.2 m，其上到第四系底部仍有 5.5413.97 m 的保护层厚度 （约为等效采厚的 5.8314.70 倍）；可以满足 “三下规程”中留设防砂安全煤岩柱的设计要求。结合新汶矿区巨厚含水砂层采煤和邻近矿井的成功经验，可以认为在目前条件下，采用矸石充填开采 T301 试采工作面第一分层，是可以保证井下生产安全的，并且具有较高的可靠性。继续采用矸石充填开采第二分层后，垮落带高度将可能增加为 9.2 m，考虑到上方还有近 1.5 m 厚的矸石充填体再生顶板，保护层厚度仍有4.0412.47 m ，仍可构成较完整的防砂安全煤岩柱。继续采用矸石充填开采第三分层，其垮落带将非常接近第四系松散层底部，没有足够的保护层，安全风险极大，应暂放弃开采。2.3 长壁综采工作面矸石充填开采地表沉陷控制效果分析采用新汶矿区概率积分法参数计算了综采矸石充填开采地表移动变形最大值如表 2 所示。从上表分析可以看出，采用长壁工作面矸石充填后，可以大幅度降低地表沉陷程度。根据上述分析，采用长壁综采工作面矸石充填的最终下沉系数约为0.3 左右，对于长壁工作面全部垮落法开采可减沉 60%左右。采用同样的方法，分析得到长壁普采工作面矸石充填的最终下沉系数约为 0.24 左右，比全部垮落法管理顶板可减沉约 70%2.4 结论(1) 利用井下采空区处置煤矸石的充填采煤方法，既可以减少煤矿固体废弃物排放、又可以充填采空区， 减轻开采沉陷灾害、提高矿井资源回收率，是实现煤矿绿色开采的关键技术之一。随着高速动力抛矸机、矸石充填液压支架等关键设备的研制成功，大大提高了矸石充填采空区的工作效率，为矸石充填采煤技术应用奠定了基础。(2) 长壁工作面矸石充填开采时，充入采空区的矸石体占据了采煤形成的大部分空间，限制了顶板垮落下沉量，有效控制上覆岩层移动，减轻地表沉陷。矸石充填体经充分压实后可恢复其承载能力，相当于置换了等厚度的煤层，称为有效充填厚度；煤层实际开采厚度与矸石有效充填厚度之差就是矸石充填开采的等效采厚。(3) 影响矸石充填开采等效采厚的主要因素有：矸石充填前和充填过程中的顶底板移近量、矸石充填体的接顶距离、矸石充填体的相对压实度和矸石充填体的剩余压缩率。采用矸石充填液压支架后部悬挂式运输机充填时，矸石充填体的接顶距离一般为 500 mm 左右。对于普采面高速抛矸充填工艺，其接顶距离可控制在 150 mm以内。(4) 矸石充填长壁工作面的覆岩破坏和地表沉陷预测时，可采用等效采厚直接按长壁全部垮落法预测模型和参数进行预计。采用矸石充填开采可降低覆岩破坏高度约 30%，对于水体下采煤提高开采上限具有实用价值。(5) 在现有装备条件下，长壁综采工作面矸石充填的地表下沉系数约为 0.3，比全部垮落法管理顶板可减沉 60%；长壁普采工作面抛矸充填的地表下沉系数约为0.24，比全部垮落法管理顶板可减沉约 70%；可大大减轻地表沉陷灾害程度。(6) 采取技术措施缩小接顶距离和提高矸石充填体密度是进一步改善矸石充填开采沉陷控制效果的主要途径。3工作面充填开采的充填比与充填效应分析煤矿开采过程中的安全问题一直是我国煤矿安全生产中一个重中之重的问题，充填或部分充填开采是实施煤矿水资源保护性开采和低透气性瓦斯卸压抽放的有力措施之一在当今国家大力提倡资源与环境协调开采的情况下，煤矸石充填开采可以有效减缓煤矸石对环境的污染；另外，随着煤矿开采强度的加大，相当多矿区煤炭资源将逐步趋于枯竭，矸石充填煤技术是针对我国煤矿开采存在的“三下”压煤问题、煤矸石排放问题和土地资源问题 而开发出来的绿色采煤技术之一，这种充填采煤技术资源采出率高。矸石充填采煤是一种全新的采煤技术，其采场矿压和地表沉陷显现规律与传统开采有着显著的差异f-s，故研究充填开采对回采工作面矿山压力显现和顶板裂隙发育高度的影响，必将为 “三下”压煤开采、水资源保护性开采和低透气性瓦斯卸压抽放实践提供相关了，理论参考。3.1充填比的确定目前，充填开采方式主要有巷道充填、条带充填和工作面全采全充等三种主要方式，因工作面全采全充可以做到尽量不留煤柱，其应是今后 “三下”压煤开采中首选方案但是充填比越高，煤炭开采成本也就越高，因此根据上覆岩层的条件合理确定充填比，可以最大限度地降低充填成本。解方程式(1)，并代入有关边界和连续条件，可得关键层的最大挠度为由图l可知：在同样的上覆载荷q的作用下，图1 (b)力学模型中的关键层较难断裂，即矸石充填后关键层在触矸前的最大挠度小于 Is，则关键层将发生弯曲缓慢下沉现象，无断裂构造的完整关键层将不会发生断裂，从而达到减少地表不均匀沉降和保水开采的目的。此时最小充填高度为式中，：开采煤层厚度； ：主关键层下岩层的碎胀系数；h：主关键层下岩层总厚度由式(3)可知，为保证矸石充填效率，充填前直接顶基本完整不垮落，即充填在有支护情况下进行，即保证充填后垮落的矸石可压实充填矸石，减少关键层下的给定变形量。由文献3知：矸石碎胀系数在压应力略为0时在1618之间，而当压应力为20MPa的碎胀系数在12135之间，其残余碎胀系数一般为110115之间因此，充填时的松散矸石在上覆岩层压实下仍有较大的压缩空间，对于一个煤层厚度为2m的工作面，若充填厚度为15m，则在800m采深情况下，可压缩空间大约在060675之间为保证主关键层不断裂，仍需关键层下岩层跨落后碎胀填充，故为保证充填效率，应在有支护(直接顶未垮落)情况下充填，以减少关键层下的给定变形量。3.2 工作面充填开采的数值模拟3.21 RFAP的基本原理RFPA是一个以弹性力学为应力分析工具、以弹性损伤理论及其修正后的Coulomb破坏准则为介质变形和破坏分析模块的岩石破裂过程分析系统RFPA工作程序由以下3部分工作完成：(1)实体建模和网格剖分，用户选择基元类型，定义介质的力学性质，进行实体建模及网格剖分；(2)应力、应变分析，依据用户输入的边界条件和加载控制参数，以及输入的基元性质数据，形成刚度矩阵，求解并输出有限元分析结果(应力、节点位移)；IC3)基元相变分析，运用相变准则对应力计算器产生结果进行相变判断，然后对相变基元进行弱化处理，最后形成迭代计算刚度矩阵所需的数据文件，对每一步给定位移增量，首先进行应力计算，然后根据相变准则来检查模型中是否有相变基元，如果没有，继续加载增加一个位移增量，进行下一步应力计算如果有相变基元，则根据基元的应力状态进行刚度弱化处理，然后重新进行当前步的应力计算，直至没有新的相变基元出现重复上述步骤，直至达到所施加荷载、变形或整个介质产生宏观破裂6,7RFPA系统运行过程中，对每一步应力、应变计算采用全量加载，计算步之间相互独立。3.2.2 数值模型的建立及参数确定为使模拟结果尽可能地反映现场实践，并有条件地指导现场开采实践，以某矿9号煤层的顶、底板结构为条件建立数值模型数值模型沿水平方向取 150 m，沿垂直方向取100m，煤层厚度为 15m，赋存深度为200m；煤岩层共有14层，划分为300X200个单元，层与层之间预设一些层理煤层采用长壁式开采直接垮落法和充填法处理采空区数值模型中煤岩层的力学特性如表 1可以看出：工作面同样推进84m时，有断层情况的采动支承压力峰值范围明显增大，且沿断层带出现明显的应力升高区，顶板裂隙带高度明显升高；从图4、图5可以看出：工作面采用完全垮落法和部分充填法开采的采动支承压力范围和顶板裂隙发育高度变化不大，即在有断层情况下，工作面充填开采对支承压力峰值范围弱化效应不明显从图6可以看出，有断层情况下，工作面采用完全垮落法开采的直接顶初次垮落步距比部分充填法开采的直接顶初次垮落步距明显要小，完全垮落法时直接顶沿断层切落，进一步说明充填开采时的采动支承压力峰值比完全垮落法的采动支承压力峰值要低。3.3 结论本文根据现场开采实践，建立长壁开采工作面充填开采的关键层力学模型，通过理论分析得到了确保关键层弯曲下沉的最小充填厚度随后通过RFPA数值模拟系统对比分析煤层实施充填开采和完全垮落法开采时的上覆岩层活动规律，得到了以下结论：为保证主关键层不断裂，仍需关键层下岩层跨落后碎胀填充，故为保证充填效率，应在有支护(直接顶未垮落)情况下充填，以减少关键层下的给定变形量。工作面充填开采使直接顶初次来压垮落步距明显增大，但工作面充填开采使采动支承压力峰值范围明显缩小，顶板裂隙带高度明显降低，工作面矿山压力显现明显减弱。在有断层情况下，工作面充填开采对支承压力峰值范围弱化效应不明显，采动裂隙沿断层带发育顶板裂隙发育高度比完全垮落法时变化不大。对于有断层情况下的水资源保护性开采和“三下”压煤开采，在工作面推采接近并采过断层时，应提高充填比保证充填效率，并对断层进行注浆硬化处理，避免断层活化。4 综采工作面矸石充填技术分析4.1 充填系统综采工作面矸石充填矸石充填系统主要由翻车机、破碎机、可缩桥式皮带、充填支架及两部刮板输送机组成。7403工作面采用走向长壁后退式采煤、采空区矸石充填法。工作矸石充填采用液压支架后悬溜子运矸，矸石通过溜槽卸载孔，自上而下进行采空区充填，充填过程中可采用卸矸溜槽之间增加普通溜槽的方式，调整卸矸溜槽底部孔距以保证充填效果。工作面运煤通过采煤机割煤、装煤，通过面刮板输送机运煤，接面溜子、皮带运至七采运输下山皮带至七采煤仓，由7403工作面-,7403运输巷一两部40T溜子一七采运输下山一溜煤眼一七采煤仓一一400东大巷一南石门一主井一地面。矸石运至七采区运矸上车场，经电动翻车机卸载一上矸留子一2PGL一400750破碎机一矸石仓一可缩桥式皮带一7403工作面架后充填溜子一采空区。见矸石充填系统图1。采空区的矸石充填依靠自压式矸石充填机来自动完成：充填时自压式矸石充填机的上刮板向下运输充填矸石；下刮板向上推平漏矸孔下漏的矸石，并使矸石充填密实、均匀。在矸石充填过程中，随着矸石充填高度的增加，自压式矸石充填机会随之上升，利用矸石充填运输机对矸石的反作用力来压实的充填矸石。其充填过程可分为 “自由落体”阶段、“自充自压”阶段、“充分压实”阶段。矸石充填工艺是在采面割完两刀煤后进行，其工艺过程如下：1每班按照正规循环割两刀煤 (也即进尺12m)，然后停止割煤，移直自压式矸石充填机的机头与机尾。检查充填系统的完好情况，准备充填工作。2首先起动工作面自压式矸石充填机，然后依次起动7403轨道巷可缩桥式中间驱动胶带输送机、下山转载巷矸石运输刮板输送机、转载平巷矸石运输刮板输送机、矸石运输下山胶带输送机，进行采空区矸石充填。3充填时采用自压式矸石充填机机头向机尾方向依次充填，也即先打开自压式矸石充填机机头的第一个插板进行 “自由落体”充填阶段、“自充自压”阶段，待此段矸石输送机升至离支架尾梁200mm时，关闭第一个插板，打开第二个插板，重复上述工作，待6个插板全部完成上述两个阶段后，再同时打开全部6个插板，进行 “充分压实”阶段的工作。(1)“自由落体”充填阶段“自由落体”充填阶段矸石由白压式矸石充填机运至漏矸孔，直接落入刮板下的采空区。其剖面如图2所示：(2) “自充自压”充填阶段当从漏矸孔下落的矸石自然堆积高度至自压式矸石充填机的溜槽时，自压式矸石充填机上刮板推移矸石自漏矸孔落下、下刮板向上推平漏矸孔下漏的矸石。在此过程中，下刮板的作用主要在以下方面： 矸石在自压式矸石充填机的自身重力和刮板运动的共同作用下使矸石充填密实，提高了矸石的充填效果； 使矸石向下刮板运行方向邻近矸石孔移动，扩大了同一漏矸孔的充填范围。在此过程中，自压式矸石充填机表现为因受矸石堆的反作用力，逐步上抬，同时对充填矸石进行初步压实。矸石充填 “自充自压”充填阶段现场施工效果图3所示。待打开的漏充到离支架尾梁200mm时，关闭第一 个漏矸孔的插板，同时打开第二个插板由下到上依次充填。(3)“充分压实”充填阶段当最后一个自压式矸石充填机的漏矸孑L完成 “自充自压”阶段后，打开全部6个自压式矸石充填机插板，进行最后阶段的 “充分压实”充填阶段。此时，自压式矸石充填机会因充填矸石的反作用力进一步上移，当其与支架尾梁完全接触后，自压式矸石充填机不再上移，但对下部矸石的作用力进一步加强，使矸石得以充分压实，同时进一步扩大矸石的充填范围，实现有效充填空间的完全充满与压实。其工作过程示意图如图4所示。采空区充填完毕后，对当班的采空区充填情况进行检查记录，确认达到设计效果，然后进行下一矸石充填采煤工艺循环。为控制矸石充填效果，实现矸石充填有效空间的完全充满与压实。在矸石充填过程中，应做好以下方面的工作。2） 矸孔插板打开严格执行由下到上的顺序进行充填，打开插板用力均匀，以防插板变形。3） 充填过程中，密切注意自压式矸石充填机运矸量和矸石下漏量的变化，运矸量既不能大，使矸石下漏不完，运到工作面机头；也不能小，延长充填作业时问。必要时自压式矸石充填机需点动运行，以保证充填效果。4） 注意工作面倾角变化，回采过程中严格顺平、顺直工作面，确保充填刮板输送机控制在可弯曲变形范围之内，保证输送机能够正常运行。破碎机要保持正常使用，同时在破碎机后要有专人观察矸石的破碎程度，要控制矸石破碎在粒径30 Cm左右，必要时进行辅以人工破碎，以保证采空区充填效果。4.2.充填效果分析翟镇矿矸石充填模式较之其他的充填模式有如下优点（1）设备投资少充填系统所需的综采支架、颚式破碎机、运输皮带、工作面桥式皮带、工作面斜巷运输溜子、工作面充填溜子共计1090万元。新汶矿区孙村煤矿采用的是从地面铺设管道进入采空区充填，经概算，其投资1700多万。（2）工艺简单相对于其他充填方法，翟镇充填模式，不需要风力，也不需要水和沙子，更不需要水泥