近距離煤層群下伏厚煤層綜放　開采下上行開采技術(shù)*

王紅勝，李森林，李樹剛，雙海清，李　斌，李　磊

(1．西安科技大學 能源學院，陜西 西安 710054；2．西安科技大學 安全科學與工程學院，陜西 西安 710054；3．教育部 西部礦井開采及災(zāi)害防治重點實驗室，陜西 西安 710054)

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近距離煤層群下伏厚煤層綜放開采下上行開采技術(shù)*

王紅勝1，3，李森林1，李樹剛2，3，雙海清2，李斌1，李磊1，3

(1．西安科技大學 能源學院，陜西 西安 710054；2．西安科技大學 安全科學與工程學院，陜西 西安 710054；3．教育部 西部礦井開采及災(zāi)害防治重點實驗室，陜西 西安 710054)

為提高煤炭資源回采率、延長礦井服務(wù)年限和實現(xiàn)厚薄煤層間合理配采，開展了近距離煤層群下伏厚煤層綜放開采下上行開采可行性研究?；谘嗉液用旱V近距離煤層群5-1，5-2及8煤地質(zhì)條件，采用理論分析、物理模擬、數(shù)值模擬和現(xiàn)場實測等研究方法分析了8煤綜放開采采場覆巖運移規(guī)律及破斷特征，掌握了上覆5-1，5-2煤層與巖層的破壞特征及變形規(guī)律，確定了5-1，5-2煤層上行開采可行性。研究表明，8煤覆巖冒落帶高度為16～26.7 m.5-1煤位于8煤裂隙帶下層位，處于8煤冒落帶之上，5-1煤及其頂?shù)装咫m有明顯彎曲變形下沉，但無臺階錯動，整體連續(xù)性好。5-2煤位于8煤裂隙帶與冒落帶過渡層位，接近8煤冒落帶；巷探表明了5-2煤處于整體下沉，頂?shù)装鍩o臺階錯動，整體連續(xù)性較好。除內(nèi)錯采空區(qū)0～25 m的5-1，5-2煤層破壞較嚴重外，其余范圍的5-1，5-2煤層結(jié)構(gòu)連續(xù)完整，均可上行開采。

近距離；煤層群；厚煤層；綜放開采；上行開采；臺階錯動；巷探

0　引　言

燕家河煤礦建井初期為快速達產(chǎn)，優(yōu)先開采了8煤，經(jīng)過了近15 a的高強度、大規(guī)模開采，8煤層的一、二采區(qū)基本回采完畢，只剩余三、四采區(qū)未開采。如果繼續(xù)只開采8煤層，后期礦井產(chǎn)量會大幅度下滑，這對礦井后期發(fā)展極為不利。為實現(xiàn)礦井持續(xù)穩(wěn)定開采[1]，提高煤炭資源回采率和延長礦井服務(wù)年限，必須實現(xiàn)厚薄煤層間合理配采，但首先要解決好5-1，5-2煤上行開采難題。目前，8煤采用綜放開采，采場覆巖運移范圍大，尤其是覆巖冒落帶高度大，且5-1，5-2煤層處于8煤冒落帶與裂隙帶過渡層位，這為確定5-1，5-2煤上行開采難度增大。眾多學者對上行開采進行了深入研究與工程實踐[2-5]，其中文獻[6]闡釋了近距煤層上行開采機理并分析了可行性判別準則；文獻[7]提出基于力學分析的長壁采空區(qū)上方的煤層上行開采安全層間距；文獻[8-9]分析了影響近距離煤層群上行開采因素，提出可行性判別指標模型；文獻[10]提出了極近距離煤層群上行開采機制。但國內(nèi)外關(guān)于近距離煤層群下覆厚煤層綜放開采條件下開展上行開采方面的研究鮮有報道，針對燕家河煤礦近距離煤層群5-1，5-2及8煤地質(zhì)條件，采用理論分析、數(shù)值模擬及現(xiàn)場實測等手段，開展了8煤綜放開采條件下5-1，5-2煤上行開采研究，為近距離煤層群厚煤層綜放開采條件下上行開采提供理論指導(dǎo)與技術(shù)支持。

1　采礦地質(zhì)條件

可采煤層共3層，為中侏羅統(tǒng)延安組，自上而下分別為5-1，5-2煤和8煤。5-1煤厚為0.25～3 m，平均為1.38 m，大部分可采。5-2煤厚為0.15～2.75 m，平均為1.07 m，局部可采。8煤厚為0.37～7.64 m，平均為4.78 m，大部可采。5-1，5-2煤層間距為0.55～7.63 m，平均為3.03 m；5-2，8煤層間距為10.31～49.64 m，平均為30.62 m.巖層綜合柱狀如圖1所示。

2　上行開采理論分析

采用比值判別法、“三帶”判別法、圍巖平衡法、數(shù)理統(tǒng)計分析法、波蘭上行開采判別法、前蘇聯(lián)上行開采判別法等6種判別方法[11-12]對5-1，5-2，8煤相互重疊區(qū)域的17個鉆孔進行上行開采判別，結(jié)果表明5-1煤處于8煤冒落帶之上、裂隙帶下層位，認為5-1煤可以上行開采；5-2煤位于8煤冒落帶與裂隙帶過渡層位，煤層破壞較嚴重，部分鉆孔區(qū)域不滿足上行開采。判別分析過程詳見文獻[13]。

3　采場覆巖破斷特征物理模擬分析

3.1模型設(shè)計

參照X4鉆孔柱狀圖，采用規(guī)格為長×高×寬=5.0 m×3.0 m×0.3 m的平面應(yīng)力模型試驗臺模擬工作面開挖，模型鋪設(shè)規(guī)格為5.0 m×1.5 m×0.3 m.根據(jù)相似三定理[13]，確定模型幾何相似比α1=100，容重相似比αγ=1.67，時間相似比αt=10，強度相似比為αR=167.模型鋪設(shè)39層，總厚度為1.5 m，上覆354 m覆巖以物理配重實現(xiàn)均勻加載。8煤采高為7 cm，距模型右側(cè)邊界80 cm處開切眼，開挖步距為10 cm，共計開挖34次，開挖總長度為340 cm.

圖1　綜合柱狀圖Fig.1　Generalized geological section

3.2模擬結(jié)果及分析

工作面推進20 m時，由于上覆巖層壓力，直接頂開始出現(xiàn)離層，并隨著頂板暴露面積增大而迅速發(fā)育；工作面推進40 m時，直接頂出現(xiàn)明顯離層，并發(fā)生大面積垮落；工作面推進60 m時，基本頂發(fā)生斷裂，工作面出現(xiàn)初次來壓，來壓步距為60 m；隨著工作面繼續(xù)推進，基本頂發(fā)生周期性破斷。工作面推進190 m時，頂板充分垮落；隨著工作面繼續(xù)推進，直至340 m，冒落帶高度不在增加，采空區(qū)后方覆巖開始進入壓實階段，裂隙壓實逐漸閉合。工作面開挖過程如圖2所示。

圖2　上覆煤巖層變形與破壞特征Fig.2　Deformation and failure characteristics of the overlying coal and rock seams(a)開挖40 m　(b)開挖60 m　(c)開挖80 m　(d)開挖100 m(e)開挖140 m　(f)開挖180 m　(g)開挖190 m　(h)開挖340 m

由圖2可知，工作面開挖圍巖穩(wěn)定后，采場覆巖冒落帶高度為15～25 m，裂隙帶高度為35～60 m。5-1，5-2煤位于裂隙帶下部，工作面中部裂隙及破斷巖層隨工作面推進逐漸擠壓閉合，5-1，5-2煤層結(jié)構(gòu)連續(xù)性保持完好。除切眼、停采線上部局部區(qū)域以外，5-1，5-2煤層未出現(xiàn)臺階錯動。

4　采場覆巖運移規(guī)律數(shù)值模擬分析

4.1模型建立

采用非線性數(shù)值計算軟件UDEC2D4.0參照X4鉆孔柱狀圖建立模型。模型尺寸為600 m×260 m，左、右及下邊界固定，上覆巖層表土層以均布載荷形式加在模型上邊界，節(jié)理特性考慮采動影響，圍巖本構(gòu)關(guān)系采用Mohr-Coulumb模型。分別建立傾向和走向模型，模擬工作面開挖。

4.2傾向模擬結(jié)果及分析

8煤工作面傾向長300 m，上端頭位于模型中X=150 m處，下端頭位于模型中X=450 m處，模型采用一次開挖。分別提取8煤開采后5-1煤隨覆巖移動的垂直位移、水平位移、傾斜以及應(yīng)力變化曲線。

4.2.15-1煤垂直移動規(guī)律

5-1煤垂直位移如圖3所示。5-1煤最大垂直位移發(fā)生在工作面中部，最大值達1.32 m.5-1煤整體彎曲下沉，完整性未受到嚴重破壞，煤層賦存穩(wěn)定；在工作面上下端頭附近，因受煤柱支撐作用，導(dǎo)致巖層出現(xiàn)離層，裂隙發(fā)育豐富，5-1煤層頂?shù)装鍙澢冃屋^大，垂直位移偏?。凰?-1煤垂直位移呈現(xiàn)中間大，兩頭小的分布特征。

圖3　5-1煤層垂直位移Fig.3　Vertical displacement of the No.5-1 coal seam

4.2.25-1煤水平移動規(guī)律

5-1煤水平位移如圖4所示。工作面中部水平位移趨近于零，上下端頭附近5-1煤水平位移變化較大，最大達到0.24 m.因工作面中部大范圍內(nèi)5-1煤未發(fā)生水平移動，而在上下端頭因受煤柱支撐，5-1煤隨覆巖彎曲，產(chǎn)生拉伸變形，故在上下端頭水平位移明顯。

圖4　5-1煤層水平位移Fig.4　Lateral displacement of the No.5-1 coal seam

4.2.35-1煤應(yīng)力變化規(guī)律

圖5　煤層應(yīng)力變化規(guī)律Fig.5　Stress variation law of the coal seams

煤層應(yīng)力變化規(guī)律如圖5所示。8煤回采后，傾向上工作面直接頂及上覆巖層內(nèi)應(yīng)力呈分區(qū)特征，應(yīng)力分布可劃為4個區(qū)：原巖應(yīng)力區(qū)(0～100 m，500～600 m)，煤層應(yīng)力未受影響；支承應(yīng)力區(qū)(100～150 m，450～450 m)，上覆巖層形成壓力拱，在此區(qū)域為拱的一個支撐點，應(yīng)力升高；應(yīng)力釋放區(qū)(150～250 m，350～450 m)，由于端頭附近巖層彎曲，裂隙發(fā)育并起到卸壓作用，此處應(yīng)力降低；應(yīng)力恢復(fù)增加區(qū)(250～350 m)，隨基本頂跨落壓實，將再次支撐上覆巖層重量，從而使應(yīng)力升高。經(jīng)測算8煤直接頂中最大支承應(yīng)力為27.89 MPa，在超前煤壁5～15 m范圍內(nèi)，最大應(yīng)力集中系數(shù)達2.19.隨著覆巖垮落穩(wěn)定，工作面中間位置應(yīng)力恢復(fù)。而5-1煤層中最大支承應(yīng)力24.34 MPa，超前煤壁25 m，最大應(yīng)力集中系數(shù)為1.82.

4.2.45-1煤層傾斜變化規(guī)律

5-1煤層傾斜變化規(guī)律如圖6所示。在工作面250～350 m范圍內(nèi)5-1煤斜率值大多集中在X軸附近，其值變化不大，5-1煤結(jié)構(gòu)相對平穩(wěn)，無較大彎曲變形，煤層連續(xù)性較好。但在工作面上下端頭處，因煤柱對5-1煤支撐作用，在煤柱外側(cè)采空區(qū)附近25 m范圍內(nèi)，5-1煤彎曲較嚴重，傾斜變化劇烈，最大傾斜達18.97 mm/m，對5-1煤層上行開采影響大。

圖6　傾斜曲線Fig.6　Inclination curve

傾向模擬結(jié)果表明，5-1煤層處于8煤冒落帶之上、裂隙帶下層位穩(wěn)定巖層中，除工作面上下端頭外，工作面中部直接頂充分垮落壓實，基本頂中裂隙重新閉合，5-1煤層處于相對穩(wěn)定狀態(tài)。除8煤層上下端頭對應(yīng)的局部區(qū)域移動變形、應(yīng)力變化較大外，5-1煤垂直和水平移動變形、應(yīng)力及傾斜不大，煤層整體性完好，無臺階錯動。因此，5-1煤可上行開采。

4.3工作面走向模擬結(jié)果及分析

不同推進距離5-1煤垂直位移變化規(guī)律如圖7所示。隨著工作面推進，5-1煤垂直位移不斷增加；當工作面推進250 m時，移動盆地中部已出現(xiàn)平底，盆地總體呈盤形，此時5-1煤已達到最大垂直位移，后方直接頂充分垮落，并逐漸被壓實，同時基本頂中裂隙重新閉合。在切眼和停采線煤壁附近25 m范圍內(nèi)，5-1煤受煤柱支撐作用，垂直位移未達到穩(wěn)定狀態(tài)，但移動盆地中部5-1煤結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定。

走向模擬結(jié)果表明，8煤層開采后沿工作面走向的冒落帶高度約為25 m，為采高3倍左右。5-1煤處于冒落帶之上，除8煤層開切眼和停采線對應(yīng)的局部區(qū)域外，5-1煤層保持穩(wěn)定，整體破壞程度不大，煤層表現(xiàn)較連續(xù)，未出現(xiàn)明顯臺階錯動，故5-1煤可上行開采。

圖7　不同推進距離5-1煤垂直位移變化規(guī)律Fig.7　Vertical displacement change law of the No.5-1coal seam with different advance distance

5　覆巖冒落帶高度現(xiàn)場探測分析

5.1探測地點

在8103軌道順槽內(nèi)，距離8煤軌道下山約700 m處，向8102采空區(qū)上方布置5個鉆孔，鉆孔呈扇形分布。采用YTJ20型巖層鉆孔窺視儀探測8102工作面覆巖冒落情況。

5.2鉆孔參數(shù)

鉆孔深度以預(yù)測冒落帶高度為準，孔口間距以便于鉆孔施工和鉆孔維護為宜，一般為0.2～0.5 m.鉆孔布置參數(shù)如圖8所示。

圖8　鉆孔布置參數(shù)Fig.8　Layout parameters of the drillings

5.3探測結(jié)果及分析

通過對比分析5個鉆孔錄像對比分析，8102工作面覆巖冒落帶高度為16～26.7 m，與實驗結(jié)果15～25 m基本一致。5-1煤結(jié)構(gòu)完好，待8煤采空區(qū)上覆巖層穩(wěn)定后，即可上行開采；5-2煤靠近冒落帶，存在明顯裂隙。鑒于5-2煤底板部分區(qū)域接近8煤冒落帶頂部，破壞相對嚴重，因此，5-2煤可采性有待進一步確定。

6　5-2煤頂?shù)装鍘r層運移規(guī)律巷探分析

為進一步確定5-2煤可采性，提出向5-2煤層內(nèi)掘一條探巷，實測5-2煤層連續(xù)性和整體性，以及觀測其頂、底板破壞程度，最終確定5-2煤層是否可上行開采。

6.1巷探方案

探巷空間位置關(guān)系如圖9所示。在5211工作面膠帶順槽內(nèi)533.6 m處，即PD9～PD10測點之間，沿煤層頂板掘探巷。沿傾向按359°58′方位角掘探巷T1～T4段，長度為60 m，與5211皮帶順槽成70°夾角；5-2煤沿走向按69°58′方位角掘走向巷道T4～T5段，并平行于5211皮帶順槽，設(shè)計掘進長度為60 m.過T1點作Ⅰ—Ⅰ剖面，得探巷空間位置關(guān)系，如圖9(b)所示。5211皮帶順槽距8212采空區(qū)邊界20 m，并內(nèi)錯8211皮帶順槽8 m布置。5-2煤層底板距8煤層頂板30 m.

圖9　探巷空間位置關(guān)系Fig.9　Exploration entry’s spatial position(a)平面圖　(b)Ⅰ-Ⅰ剖面

6.2巷探結(jié)果及分析

6.2.1傾向探測結(jié)果及分析

圖10　5-2煤層沿傾向變形規(guī)律Fig.10　Inclination deformation law of the No.5-2 coal seam

探巷沿5-2煤傾向掘進60.2 m，在探巷T2-1～T3段內(nèi)長度約13.49 m范圍內(nèi)，5-2煤層變形大。當探巷掘進到T2-1測點，煤層出現(xiàn)變形；探巷T2-1～T2-2段，煤層傾角約為6°；到探巷T2-2～T2-3段，煤層傾角已經(jīng)為15°，此時在T2-2測點附近出現(xiàn)大量“V”型張開裂隙，煤層破壞較嚴重；而探巷T2-3～T2-4段內(nèi)時，煤層傾角達到最大值20°，煤層彎曲最為嚴重。除T2-1～T3范圍外，探巷內(nèi)5-2煤相對平穩(wěn)，其煤層傾角多集中在2～3°，5-2煤層沿傾向整體下沉量為2.24 m，煤層整體性破壞不大，利于5-2煤上行開采。5-2煤層沿傾向傾角變化及整體下沉變形規(guī)律如圖10所示。

探巷與8煤采空區(qū)位置關(guān)系如圖11所示。5-2煤變形區(qū)域始末邊界距8212采空區(qū)邊界11.32～21.04 m，T3測點距離8212采空區(qū)邊界為23.74 m.因此，8煤采空區(qū)一側(cè)為實體煤層和8煤區(qū)段煤柱為寬煤柱(>20 m)時，開采采空區(qū)上方5-2煤時，則5-2煤順槽應(yīng)內(nèi)錯8煤采空區(qū)至少25 m.

圖11　探巷與8煤采空區(qū)位置關(guān)系Fig.11　Relationship between the exploration entry and the goaf of the No.8 coal seam

6.2.2走向探測結(jié)果分析

探巷掘到T4測點后，沿煤層走向繼續(xù)掘進至T5測點，T4～T5測點距離為46.2 m.T4～T5段掘進過程中，未發(fā)現(xiàn)頂?shù)装逵忻黠@臺階下沉現(xiàn)象，但在頂?shù)装寰植康胤搅严栋l(fā)育，且裂隙擴展方向大致垂直探巷掘進方向。在距離T4測點10～24 m之間，頂?shù)装宄霈F(xiàn)波浪式起伏變化，波峰最大值達130 mm，波谷最大值達290 mm，但煤層連續(xù)性完好，沒有出現(xiàn)臺階下沉。探巷T4～T5兩側(cè)點垂直落差為1.135 m，水平距離為46.2 m，探巷傾角為1.4°，局部為2°～3°，與煤層走向傾角(2°～3°)基本一致，5-2煤層處于整體下沉，煤層連續(xù)性完好。因此，走向探測結(jié)果表明5-2煤可上行開采。

7　結(jié)　論

1)5-1煤處于8煤冒落帶之上、裂隙帶下層位，5-1煤可上行開采；5-2煤部分區(qū)域接近冒落帶，處于8煤冒落帶與裂隙帶過渡層位，煤層破壞較嚴重；

2)采場覆巖冒落帶高度為15～25 m，裂隙帶高度為35～60 m.5-1煤層處于8煤冒落帶之上、裂隙帶下層位穩(wěn)定巖層中，除工作面上下端頭外，工作面中部直接頂充分垮落壓實，基本頂中裂隙重新閉合，5-1煤層處于相對穩(wěn)定狀態(tài)，可上行開采。除8煤層工作面上下端頭對應(yīng)局部區(qū)域移動變形、應(yīng)力變化較大外，5-1煤垂直和水平移動變形、應(yīng)力及傾斜不大，煤層整體性完好，無臺階錯動。除8煤層開切眼和停采線對應(yīng)的局部區(qū)域外，5-1煤層保持穩(wěn)定，整體破壞程度不大，煤層表現(xiàn)較連續(xù)，未出現(xiàn)明顯臺階錯動；

3)鉆孔探測表明8煤冒落帶高度約為16～26.7 m，與實驗分析結(jié)果基本一致；5-1煤結(jié)構(gòu)完整，可上行開采；5-2煤靠近冒落帶，不利于上行開采；

4)5-2煤層頂?shù)装逦闯霈F(xiàn)臺階下沉，5-2煤層處于整體下沉，煤層連續(xù)性完好，可上行開采；8煤采空區(qū)一側(cè)為實體煤層或8煤區(qū)段煤柱為寬煤柱(>20 m)時，布置5-2煤工作面時，5-2煤順槽應(yīng)內(nèi)錯8煤采空區(qū)至少25 m；

5)綜合以上分析，8煤采用綜放開采后，上覆5-1，5-2煤層處于整體下沉，煤層結(jié)構(gòu)連續(xù)性完好；除切眼、停采線及工作面上下端頭上部局部區(qū)域以外，5-1，5-2煤層未出現(xiàn)臺階錯動，均可上行開采。

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Ascending mining technology on condition of the underlying thick coal seam of the closed distance seam group with fully mechanized caving

WANG Hong-sheng1，3，LI Sen-lin1，LI Shu-gang2，3，SHUANG Hai-qing2，LI Bin1，LI Lei1，3

(1.CollegeofEnergyScienceandEngineering,Xi’anUniversityofScienceandTechnology,Xi’an710054,China；2.CollegeofSafetyScienceandEngineering，Xi’anUniversityofScienceandTechnology，Xi’an710054，China；3.KeyLaboratoryofWesternMineExplorationandHazardPrevention，MinistryofEducation，Xi’an710054，China)

To improve the coal resources recovery rate，extend the mine service life and realize the reasonable mining between thick coal seam and thin one，the ascending mining feasibility study was carried out on conditions of the underlying thick coal seam of the closed distance seam group with fully mechanized caving.Based on the geological conditions of the close distance coal seam group in Yanjiahe coalmine，the overlying strata migration regularity and fracture characteristics of the No.8 coal seam was analyzed by methods of the theoretical analysis，physical simulation，numerical simulation，and field measurement.The failure characteristics and deformation regularity of the No.5-1and No.5-2coal seam and rock strata were mastered，and the ascending mining feasibility of the No.5-1and No.5-2coal seam was determined.The result shows that the height of caving zone of No.8 coal seam is 16 to 26.7 meters.The No.5-1coal seam，which locates in the lower position of the fracture zone of the No.8 coal seam，is on the top of caving zone of the No.8 coal seam.The No.5-1coal seam and its roof and floor have obvious bending deformation with no steps dislocation，and the continuity of the No.5-1seam is good as a whole.The No.5-2coal seam，which locates in the transition position between the No.8 coal seam’s fracture zone and its caving zone，is close to the No.8 coal seam’s caving zone.Exploration entry shows that the No.5-2coal seam sank as a whole，and its roof and floor have no step diastrophism，and its integral continuity is relatively good.The No.5-1，5-2coal seam is feasible for mining，except for the area interior goaf 0 to 25 m.

close distance；coal seam group；thick coal seam；full-mechanized caving mining；ascending mining；step diastrophism；exploration entry

10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2016.0503

1672-9315(2016)05-0621-07

2016-03-09責任編輯：劉潔

國家重點基礎(chǔ)研究計劃(973計劃)資助項目(2015CB251600)

王紅勝(1976-), 男,安徽池州人,博士,副教授,E-mail:cumtwhs@xust.edu.cn

TD 325

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