程涛，魏中举，谢小平，彭祖锋，覃继圆
六盘水师范学院矿业与土木工程学院 贵州六盘水 553004
摘要：针对近距离高承压水上安全高效采煤的问题，运用理论分析的方法，对膏体充填开采等级采高进行理论分析，并计算出膏体充填工作面底板破坏深度计算。充分研究和揭示充填体的力学特性及充填体与围岩之间的相互作用机理，并寻找合理的评价方法是优化采矿工艺和降低充填采矿成本的重要基础，同时也是分析计算充填开采中矿山压力显现与采场顶底板围岩应力的基础。
关键词：充填开采；底板破坏；作用机理；支撑作用
中图分类号：TD 823 文献标识码：A
1.工程概况
某井田内地势平坦，地面标高平均为+39.5 m，东西走向长约9.0 km，南北倾斜宽7.2 km，面积约65.0 km2。矿井主要可采煤层为3上、16和17煤层，3下煤层局部可采；矿井采用立井分水平开拓，当前生产水平为-410 m水平，开采3上和3下煤层；-580 m水平正在开拓之中，新水平的首采工作面将要投产，开采16、17煤层，16煤层平均厚度为1.5 m，17煤层平均厚度为1.2 m。目前，矿井可采储量仅有3670万t，按照300万t/年的生产能力计算，矿井剩余服务年限为只有12年。通过膏体充填开采研究分析下伏煤岩层的变形破坏和应力场分布规律，对于煤矿底板防治水研究理论的深化，以及煤矿企业的安全高效开采和可持续发展，都具有显著的现实意义。
2.膏体充填等价采高计算
膏体充填工作面等价采高度一般由三个组成部分，模型如图1所示。图1中，δ为顶底板移近量，主要由顶板下沉量组成；Δ为充填欠接顶量，是由充填技术和充填工艺受限产生的；S为充填体的变形量，由两个部分组成，分别为充填体由于泌水而产生的收缩量S1和充填体受到采空区上覆顶板岩层压缩产生的压缩量S2。关于有泌水产生的收缩量S1是在实验室下产生的，在现场实践中，由于顶底板对产生的水有一定的吸收作用等不产生泌水。
设膏体充填开采对应的等价采高为md，则md =δ+Δ+S，其中变形量S也就等于充填体的压缩量S2。设膏体的压缩率为η，可以得到充填体的压缩量S2 = η×h，最终，可以得到膏体充填开采的等价采高公式为：
（1）
式中，md 为膏体充填开采时煤层对应的等价采高；δ为顶底板移近量；Δ 为充填欠接顶量；η为充填体的压缩率。
图1 膏体充填等价采高模型图
根据2353工作面地质情况，工作面平均采高2.7m，埋深平均400m。充填体压缩率η最大不超过1%，充填前顶底板移近量 约为200~300mm，现有的采空区隔离技术可保证欠接顶量Δ 为0。以此计算，等价采高md 为450 ~ 470 mm。
3.膏体充填工作面底板破坏深度计算
工作面现场煤体内聚力Cm约为0.5 MPa，煤体内摩擦角φ约为25°，等价采高md为0.38 ~ 0.47 m，煤层埋深H平均为400 m，应力集中系数n不超过4，岩层容重γ为2500kN/m3，底板φ0为45°。带人公式（1）得：xa = 0.8 ~ 1.0 m。
将xa带入公式（1）得，底板破坏深度为：H = 2.5 ~ 3.0 m。经理论计算，初步判定底板破坏深度为2.5 ~ 3.0 m。
4.充填体的作用机理
充分研究和揭示充填体的力学特性及充填体与围岩之间的相互作用机理，并寻找合理的评价方法是优化采矿工艺和降低充填采矿成本的重要基础，同时也是分析计算充填开采中矿山压力显现与采场顶底板围岩应力的基础。关于充填体的作用机理，一般有三种说法[1-5]：第一种是把充填体作为一种支撑结构，以支撑围岩，防止顶板冒落。第二种理论是从充填体与侧壁的接触应力来认识充填体的作用。第三种理论关键块体理论，从充填体延缓或最终阻止关键块体从围岩内冒落，从而提高围岩体的自身支撑能力角度来研究。
参考文献：
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