近距離煤層上行開采可行性研究

王傳華，吳紹民，王興水

(新礦集團 秦華煤礦，新疆 庫爾勒 841011)

近距離煤層上行開采可行性研究

王傳華，吳紹民，王興水

(新礦集團 秦華煤礦，新疆 庫爾勒 841011)

秦華煤礦10-1煤層頂板裂隙發(fā)育、抗壓強度不大、易于破碎，且與上覆9-3煤層最小層間距17.6m，通過采用比值判別法、“三帶”判別法、數(shù)理統(tǒng)計分析法及UDEC計算機數(shù)值模擬研究，結合我國上行開采的成功經驗，分析了10-1煤層采空區(qū)邊界的應力分布、覆巖變形破壞特征，分析總結了8-3，9-3煤層工作面回采巷道的合理布置，確定了上行開采的合理時空關系。

近距離煤層；上行開采；頂板裂隙發(fā)育

Feasibility Study of Ascending Mining of Coal Seam with Close Range Roof Fractures Development

秦華煤礦可采煤層5層，分別是8-3，9-3，10-1，10-2和10-5煤層，其中9-3與10-1煤層最小層間距17.6m。礦井開采過程中先行揭露了10-1煤層，受礦井采掘工程進度安排的影響，首先在10-1煤層大部和9-3煤層局部進行了采掘工作，隨著礦井生產接續(xù)進入正常，后續(xù)將會在10-1煤層已采動區(qū)域布置9-3，8-3煤層采掘工程。為保證安全生產，結合我國長期以來對上行開采技術的研究成果[1-4]，對秦華煤礦8-3，9-3煤層上行開采進行了可行性研究，為上行開采提供了理論依據。

1 礦井地質構造

礦井所處地質條件為小型山間盆地陸相沉積，聚煤作用發(fā)生在早侏羅世中、晚期和中侏羅世早期，受華力西運動、燕山運動及喜馬拉雅運動影響，使地層發(fā)生褶皺斷裂，造成了礦井煤層頂板層理、節(jié)理和裂隙發(fā)育，煤層頂板抗壓強度不大，易于破碎的現(xiàn)狀。礦井可采煤層5層，分別是8-3，9-3，10-1，10-2和10-3煤層，其中8-3與9-3煤層平均層間距35.0m，9-3與10-1煤層平均層間距21.0m。秦華煤礦可采煤層情況如表1所示。

表1 秦華煤礦可采煤層情況一覽

2 10-1煤層采動影響計算模擬分析

通過對抗剪、抗拉、抗壓、飽和抗壓及堅固性系數(shù)、膨脹率等礦井頂?shù)装鍘r石物理力學性質進行試驗，得到結論，煤層頂?shù)装蹇箟簭姸炔淮螅子谄扑?，煤層底板遇水膨脹，易發(fā)生底鼓。

2.1 數(shù)值工程地質模型建立

對于10104西工作面正常推采過程進行簡化分析，計算模型的設計幾何尺寸為：350m(長)×150m(高)。模型邊界條件界定：左、右及上下邊界即x，y方向的速度和位移矢量設計為零；界定上邊界為自由邊界，上覆巖層以外在荷載的形式施加于上部邊界。模型如圖1所示。

圖1 數(shù)值模型

2.2 10-1煤層開采對8-3，9-3煤層頂?shù)子绊?/p>

通過模型分析，當工作面推進140m時，裂隙離層帶發(fā)育至9-3煤層頂板20m處(距整個模型下部邊界50m處)，裂縫帶達到最大高度，距10-1煤層頂板約41.0m，如圖2所示。

圖2 裂縫帶導通高度示意

分析10-1煤層開采后，8-3，9-3煤層頂?shù)装宓乃苄詤^(qū)分布等，明確其對8-3，9-3煤層開采時的影響。10-1煤層開采后，覆巖破壞區(qū)分布如圖3所示。

圖3 10-1與8-3，9-3層間巖層覆巖破壞情況

分析可知，10-1煤層開采后，8-3，9-3煤層在靠近10-1煤層煤壁附近出現(xiàn)大量的拉伸破壞區(qū)，降低了煤體的整體性及承載能力。下位煤層開采后，上位煤層及其頂?shù)装宓慕Y構完整且不發(fā)生臺階錯動是上行開采的前提[5]，因此8-3，9-3煤層工作面的開切眼及停采線位置應避免與10-1煤層工作面相應位置重疊布置，布置位置需要向采空區(qū)方向錯動。

10-1煤層開采垮落帶高度約為8m，最大導水裂縫帶約為41m，導水裂縫帶高度波及到9-3煤層頂板以上約20m，導通至9-3煤層基本頂。因此，9-3煤層回采期間要加強工作面的頂板控制，避免采場出現(xiàn)直接頂?shù)穆┟埃⒆⒁鈱敯暹\動進行監(jiān)測、分析和預報。

2.3 10-1煤層采動應力分布與上行開采作用效應

上行開采程序條件下，下位10-1煤層開采的采動應力分布及其對10-1煤層的采動作用效應，如圖4所示。

圖4 10-1煤層采動影響分布

由圖4(a)看出，10-1煤層開采后，由于上覆巖層呈現(xiàn)拱形運動，因此在拱形覆巖運動區(qū)內形成了拱形的應力降低區(qū)，在10-1煤層遺留煤壁向上部巖層發(fā)展形成了應力升高區(qū)，應力升高范圍在8-3，9-3煤層分布范圍如圖4(b)所示，最大垂直應力為15.14MPa，約為原巖應力的3.05倍，8-3，9-3煤層回采巷道應避免布置在這些應力集中區(qū)域。9-3煤層受10-1煤層采動影響，其直接頂與基本頂之間出現(xiàn)離層，8-3，9-3煤層則在10-1采空區(qū)對應區(qū)域產生卸載，在10-1煤層開采引起覆巖運動穩(wěn)定之后，在應力卸載區(qū)域布置8-3，9-3煤層回采巷道對開采及巷道維護均較為有利。

數(shù)值分析表明10-1煤層開采引起8-3，9-3煤層在10-1煤層煤壁處的支承壓力集中。為實現(xiàn)上行安全開采，應將8-3，9-3煤層的區(qū)段巷道布置在遠離10-1煤層煤壁的采空區(qū)內。

3 8-3，9-3煤層上行開采可行性分析

根據秦華煤礦10-1煤層上覆的8-3，9-3煤層的地質條件及煤炭資源賦存的空間關系，著重分析了10-1煤層開采后對上部8-3，9-3煤層的結構性影響。

3.1 比值判別法

綜合物理模擬、井下探測研究所揭示出的覆巖裂隙發(fā)育結構平衡分帶規(guī)律，按公式h(層間距)/M(煤層采高)=k(開采區(qū)間劃分)劃分上行開采的可行性區(qū)間，對上行開采的可行程度及效果做出預測，確定是否可以進行上行開采活動，上行開采可行性區(qū)間劃分見表2。

表2 上行開采可行性的區(qū)間劃分[6]

10-1煤層按實際采高2.0m作為采厚，最小層間距17.60m計算，則：

故按照比值分析法的評判標準，9-3煤層與10-1煤層的區(qū)間處于圍巖準平衡帶負載層或平衡帶內及中斷裂亞帶內，屬于準上行開采區(qū)間，施工制定合理的技術措施，可以進行上行開采。

10-1與8-3煤層之間的層間距40.56～82.98m，平均層間距56m。按實際采高2.0m作為采厚，最小層間距40.56m計算，則：

故按照比值分析法的評判標準，8-3煤層位于10-1煤層覆巖平衡帶以上，可正常進行上行開采。

3.2 “三帶”判別法

鉆孔和井巷揭露資料表明，10-1與8-3，9-3煤層間巖性一般為粉砂巖、細砂巖和中砂巖，屬松軟-中硬巖層。根據《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規(guī)程》，煤層開采條件屬于緩傾斜煤層長壁垮落法開采，按照公式[7-8]計算10-1煤層全部垮落法開采后的垮落帶、導水裂縫帶高度見表3。

表3 10-1煤層開采后的垮落帶和裂縫帶高度計算

由表3分析可知，10-1煤層開采后裂縫帶高度31m，大于10-1與9-3煤層最大層間距29.72m，導致9-3煤層的內部結構發(fā)生中等程度破壞，對8-3煤層基本沒有影響，10-1煤層開采后，制定一定的技術及安全措施可以對9-3煤層進行開采。

3.3 數(shù)理統(tǒng)計分析法

煤炭科學研究總院根據我國煤礦上行開采的部分實例，分析回歸出求算下部一個煤層采動影響的上行開采的必須層間距H的經驗公式：

H>1.14M2+4.14+MS[9]

式中，M為下煤層采高，m；MS為上煤層厚度，m。

礦井10-1煤層實際采高2.0m，9-3煤層厚度2.0m，兩煤層最小層間距為17.60m，按照上述經驗公式計算：H=1.14×2.02+4.14+2.0=10.7(m)，結果小于煤層最小層間距17.60m。

采用數(shù)理統(tǒng)計分析法，10-1煤層和9-3煤層層間距滿足上行開采判別準則。

4 8-3，9-3煤層回采工作面合理布置研究

4.1 采動影響的空間關系

圖5反映了反程序開采后采空區(qū)上覆巖層移動盆地的特點[10]。

由圖5可知，下部邊界影響區(qū)斜長lx為：

上部邊界影響區(qū)斜長ls為：

圖5 采空區(qū)上覆巖層移動盆地

走向邊界影響區(qū)斜長lz=lψ3+lδ0，即：

式中，H為上下煤層間距，m；α為煤層傾角，3～21°，取平均12°；β0,γ0,δ0分別為下部邊界角、上部邊界角、走向邊界角；ψ1,ψ2,ψ3分別為下部充分采動角、上部充分采動角、走向充分采動角。

根據礦井8-3，9-3，10-1煤層所處區(qū)間的巖性，取γ0=60°，β0=δ0-0.7α，δ0=60°，ψ1=ψ3-0.5α，ψ2=ψ3+0.5α，ψ3=60°，則10-1煤層的開采邊界影響區(qū)計算結果見表4。

表4 10-1煤層開采的邊界影響范圍

備注：層間距按平均層間距計算

由表4可以看出，由于10-1與9-3煤層層間距較小，10-1煤層開采后其邊界影響對于9-3煤層開采仍然較強，由于上部邊界影響區(qū)范圍內的煤層及其圍巖在覆巖移動盆地形成過程中會發(fā)生一定程度破壞，因此，8-3，9-3煤層內布置的區(qū)段巷道應盡量布置在上部煤層邊界影響區(qū)范圍之外，降低巷道維護的難度。

4.2 8-3，9-3煤層與10-1煤層開采的時間關系

上行開采時，上下煤層回采應有一定的間隔時間，否則，即使有足夠的層間距，在回采上部煤層時，仍然會出現(xiàn)壓力大等困難情況。根據巖移理論，下位煤層開采后，上位煤層的穩(wěn)定時間取決于層間距、層間巖性以及頂板管理方法。對于全部垮落法開采，需根據10-1煤層距9-3，8-3煤層的距離，按經驗公式1估算10-1煤層的移動延續(xù)時間T。

經驗公式1：T=2.5H

式中，T為移動延續(xù)時間，d；H為最大層間距，m。

由此可知，10-1煤層開采后的9-3煤層移動延續(xù)時間分別為：

T10-9=2.5×29.72=75(d)

10-1煤層開采后的8-3煤層移動延續(xù)時間分別為：

T10-8=2.5×82.98=207(d)

按照經驗公式2，上下煤層的開采時間間隔為：

經驗公式2：T=0.08k+3(月)

式中，k為采動影響倍數(shù)。

由此可見，時間間隔應至少在4個月以上。

為安全起見，兩者取其大，10-1煤層開采后9-3開采時間間隔應不小于4個月，8-3煤層開采間隔時間應不小于7個月。

6 結 論

(1)9-3煤層位于下部10-1煤層開采的圍巖準平衡帶負載層及中斷裂亞帶內，為準上行開采區(qū)間，制定合理的技術措施，可以進行上行開采。8-3煤層位于10-1煤層覆巖平衡帶以上，可正常進行上行開采。

(2)9-3煤層應至少在10-1煤層開采4個月后、8-3煤層應至少在10-1煤層開采7個月后待覆巖運動穩(wěn)定后再進行準備工作。

(3)8-3，9-3煤層頂?shù)装寰嬖趹鞋F(xiàn)象，從避免巷道受到集中應力影響角度分析，8-3，9-3煤層區(qū)段巷道應向10-1煤層采空區(qū)方向錯動，避開10-1煤層實體煤區(qū)域和區(qū)段煤柱區(qū)域，將其布置在10-1煤層采空區(qū)上方。

[1]張京超，續(xù)文峰.復雜地質條件近距離煤層上行開采技術研究與實踐[J].煤礦開采，2014，19(5)：33-35.

[2]劉天泉.用垮落法上行開采的可能性[J].煤炭學報，1981，1(2)：18-28.

[3]安豐存，高 琳，孫海民.淺埋厚煤層開采導水裂隙帶發(fā)育高度判斷方法[J].煤炭技術，2015，34(12)：107-109.

[4]李光輝，張國輝.受水害威脅煤層上行開采技術研究[J].中州煤炭，2013(8)：14-20.

[5]宗彩建，尹增德，劉進曉，等.濟二3上近距離煤層上行開采可行性研究[J].煤炭技術，2016，35(10)：59-60.

[6]蔣金泉，孫春江，尹增德，等.深井高應力難采煤層上行卸壓開采的研究與實踐[J].煤炭學報，2004，29(1)：1-6.

[7]馬立強，汪理全，張東升，等.近距離煤層群上行開采可行性研究與工程應用[J].湖南科技大學學報(自然科學版)，2007，22(4)：1-5.

[8]尹增德.采動覆巖破壞特征及應用研究[D].泰安：山東科技大學，2007.

[9]馮國瑞，任亞峰，王鮮霞，等.白家莊煤礦垮落法殘采區(qū)上行開采相似模擬實驗研究[J].煤炭學報，2011，36(4)：544-550.

[10]汪理全.上行開采技術[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，1995.

[責任編輯：周景林]

2016-11-15

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2017.02.007

王傳華(1971-)，男，山東新泰人，碩士研究生，工程師，主要從事煤炭開采方面的技術和管理工作。

王傳華，吳紹民，王興水.近距離煤層上行開采可行性研究[J].煤礦開采，2017，22(2)：27-30，99.

TD

B

1006-6225(2017)02-0027-04