近距離煤層上行開采與礦壓顯現規(guī)律分析

閆小衛(wèi)

(陜西煤礦安全監(jiān)察局榆林監(jiān)察分局，陜西 榆林 719054)

下行開采和上行開采是以煤層的開采順序進行區(qū)分的，通常上煤層的開采對下層煤不會有影響或產生很小的影響，因此實際生產中通常使用下行開采的方式[1-2]。在一些特定的地質與開采條件下，如上層煤為劣質或不穩(wěn)定煤層而下層煤為優(yōu)質穩(wěn)定煤層等情況下，采用上行開采可減少前期投資，短時間內達到設計生產能力，提高經濟效益等，但下層煤開采后會使得圍巖應力重新分布，影響甚至破壞上覆巖層或煤層[3]。上層煤受采動影響，工作面的礦壓顯現可能出現異常。為此，本文以丁家梁煤礦為研究對象，分析上行開采可行性與工作面礦壓規(guī)律。丁家梁煤礦共4層煤層可采，從上至下分別為Ⅲ-2煤層、Ⅳ-2煤層、Ⅴ-2煤層、Ⅵ-1煤層，經論證先行開采Ⅳ-2煤層，隨后開采Ⅲ-2煤層。Ⅳ-2煤層使用“采6留6”房柱式開采方式，待覆巖破斷垮落穩(wěn)定后使用綜合機械化采煤方法回采Ⅲ-2煤層，回采Ⅳ-2煤層會打破上覆平衡狀態(tài)下的圍巖體，使上方巖層發(fā)生形變甚至破斷，Ⅲ-2煤層再進行開采，兩層煤之間的巖層經歷兩次開采擾動，當工作面回采到下部采空區(qū)附近時，可能會出現較大的下沉傾斜，甚至會出現底板開裂，臺階式下沉，頂板大面積垮落和片幫等一系列不利的礦壓顯現現象。因此，在對Ⅲ-2煤層是否可上行開采進行分析的基礎上，研究Ⅲ-2煤層工作面礦壓顯現規(guī)律，對其安全回采管理具有重要意義。

1 地質概況

丁家梁煤礦位于東勝煤田準格爾召新廟礦區(qū)南東部，本礦區(qū)煤巖層范圍內構造簡單，傾角1°～3°，多在1°左右。Ⅲ-2煤層和Ⅳ-2煤層為主采煤層，Ⅲ-2煤層埋深50 m左右，不含夾矸，平均厚度3 m，屬于局部可采的不穩(wěn)定煤層；直接頂為厚6～13 m，平均9 m的泥巖，老頂主要為厚15～30 m，平均24 m的砂質泥巖，老頂上方為平均厚15 m的松散層，厚度范圍9～19 m。Ⅳ-2煤層厚為2.34～3.16 m，平均2.75 m，屬全區(qū)可采煤層；距上部的Ⅲ-2煤層34.18～40.06 m，平均距離為35.79 m；該煤層直接頂為泥巖，厚度3～5 m，平均4.2 m；老頂為細砂巖，厚度15～20 m，平均17 m。

2 上行開采理論分析

丁家梁煤礦優(yōu)先開采的Ⅳ-2煤層位于可采Ⅲ-2煤層的下部，為確定先采Ⅳ-2煤層的可行性，使用理論分析和數值模擬分析Ⅳ-2煤層回采后，覆巖層破壞高度。依據比值法、“三帶”判別法和圍巖平衡法進行理論計算和分析[4-7]，判斷丁家梁煤礦Ⅲ-2煤層能否進行上行開采。

1) 比值法根據兩層煤之間的距離和下層煤采高的比值，即采動影響倍數K值進行理論判斷，當兩層煤之間的巖性為中硬巖層時，要求K>7.5，丁家梁煤礦Ⅲ-2煤層、Ⅳ-2煤層之間主要為細砂巖，巖性為中硬，經計算K=10.8，理論上可進行上行開采。

2) “三帶”判別法認為若上層煤處于下層煤回采所造成的垮落范圍之內會受到較嚴重損壞，煤層無法采出，若上層煤處于下層煤回采造成的裂隙帶范圍內，上層煤受影響較小，在必要的安全措施下可以回采，若上層煤處于裂隙帶范圍外則基本不會受到損壞，可正常回采[8-9]，所以“三帶”判別法判斷的關鍵是下層煤回采形成的垮落帶和裂隙帶的高度。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)范》，丁家梁煤礦Ⅲ-2煤層、Ⅳ-2煤層之間圍巖為中硬巖層，計算見式(1)和式(2)[10-11]。代入數據計算得到垮落帶高度范圍為7.20～11.60 m，裂隙帶延伸范圍為31.05～42.05 m，可知Ⅲ-2煤層處于垮落帶之外，基本位于Ⅳ-2煤層對應的導水裂隙帶上限重合的層位，理論上可以進行上行開采。

(1)

(2)

式中：Hm為垮落帶高度，m；HL為裂隙帶高度，m；M為下層煤厚度，m。

3) 根據圍巖平衡法理論，上層煤處在最靠近下部煤層采空區(qū)的堅硬巖層之上時，即可進行上行開采[12-13]，丁家梁煤礦下層煤采厚M為3.19 m，巖層碎脹系數K取1.2，平衡巖層厚度h取16.62 m，根據理論公式M/(K-1)+h計算得到丁家梁煤礦要求的上行開采最小層間厚度H等于32.57 m，而實際上Ⅳ-2煤層與Ⅲ-2煤層的層間厚度為35.79 m。

綜上可知，丁家梁煤礦Ⅲ-2煤層與Ⅳ-2煤層采用上行開采方式可行，但是Ⅲ-2煤層與Ⅳ-2煤層對應的裂隙帶距離很近，需進一步分析上行開采Ⅲ-2煤層工作面的礦壓顯現特征，掌握覆巖運移特征，以便指導制定工作面安全回采措施。

3 上行開采數值模擬分析

3.1 上行開采模型建立

本文利用數值模擬方法建立丁家梁煤礦上行開采模型，根據煤礦地質條件，模型長為250 m，高為115 m，左右邊界各留50 m保護煤柱，上邊界為地表自由面，左右邊界固定水平位移，下邊界固定垂直位移，模型如圖1所示。

根據丁家梁煤礦地質報告和實驗室煤巖物理力學參數測試結果，選取丁家梁煤礦各巖層模擬物理力學參數，結果見表1。

3.2 下部Ⅳ-2煤層開采圍巖狀態(tài)分析

模型中下煤層回采以房柱式為主，待模型平衡后分析Ⅳ-2煤層房柱式采空區(qū)煤柱穩(wěn)定性和覆巖破壞狀況，垂直應力分布見圖2(a)，損傷情況見圖2(b)，損傷因子越大代表損傷程度越高。

Ⅳ-2煤層回采形成高度約為7 m的垮落帶，與理論計算相符，此時留設的煤柱上方出現明顯的應力集中現象，煤柱大部分區(qū)域處于彈性變形階段，整體穩(wěn)定，能夠有效支撐頂板。Ⅳ-2煤層回采后裂隙帶發(fā)育高度約為22.7 m，較理論計算值偏小，分析原因應是上部17 m厚細砂巖整體較好， 一定程度上

遏制了裂隙帶的發(fā)育，Ⅲ-2煤層處于裂隙帶范圍之外，數值模擬結果得到丁家梁煤礦可以進行上行開采。

圖1 丁家梁煤礦數值模型Fig.1 Numerical model of Dingjialiang coal mine

表1 煤巖層力學參數Table 1 The mechanical parameters of coal and rock

圖2 Ⅳ-2煤層開采后覆巖破壞發(fā)育情況Fig.2 The development of overlying rock failure after mining of Ⅳ-2 coal seam

3.3 上部Ⅲ-2煤層開采圍巖狀態(tài)分析

采用和下部Ⅳ-2煤層開采分析的同一個模型，在下部房柱式開采覆巖破斷垮落運移穩(wěn)定后，接著回采上部Ⅲ-2煤層。上部煤層回采時，層間巖層在經受Ⅳ-2煤層回采覆巖垮落影響后，會發(fā)生二次的卸荷破壞，隨著工作面推進距離的增加，覆巖層損傷范圍在逐漸增大，同時損傷程度有所加重，圍巖破斷發(fā)育過程如圖3所示。

圖3 上部Ⅲ-2煤層工作面不同推進距離下圍巖破壞情況Fig.3 The destruction of surrounding rock under different advancing distances in Ⅲ-2 coal seam

工作面推進距離為45 m時，煤層基本頂粉砂質泥巖發(fā)生初次斷裂，如圖3(a)所示。分析Ⅲ-2煤層結構可知，此時為工作面基本頂初次來壓，來壓步距45 m左右，此后隨工作面推進發(fā)生周期性破斷，破斷距離20 m左右。下方Ⅳ-2煤層采空區(qū)煤柱應力升高，煤柱未發(fā)生破壞；Ⅲ-2煤層工作面底板出現塑性破壞，破壞范圍較小。

工作面回采至60 m時，下方Ⅳ-2煤層采空區(qū)頂板出現塑性破壞，發(fā)生垮落，但煤柱依然能夠支撐頂板，Ⅲ-2煤層工作面底板發(fā)生破壞，破壞深度3 m左右，底板裂隙與下部采空區(qū)采動形成的裂隙貫穿，見圖3(b)。

工作面回采至80 m時，下方Ⅳ-2煤層采空區(qū)部分煤柱發(fā)生塑性破壞，隨著工作面繼續(xù)推進，煤柱周邊頂板垮落，Ⅳ-2煤層與Ⅲ-2煤層間圍巖雖貫穿裂隙，但整體穩(wěn)定，整體緩慢下沉，重新壓實，形成新的穩(wěn)定結構，不會出現大面積垮落現象，見圖3(c)。Ⅲ-2煤層工作面推進至120 m時，向上的裂隙貫穿至地表，地表發(fā)生破壞，此時底板破壞深度約為4 m，破壞深度基本不再隨工作面推進而增加，見圖3(d)。

由于下方采空區(qū)煤柱最終會發(fā)生破壞，因此Ⅲ-2煤層回采時，應采取必要的安全措施，如縮短工作面長度，加快工作面回采速度，一定程度上減小采動干擾與礦壓顯現強度，開采時封閉下方采空區(qū)，使用鉆孔探測加強地質環(huán)境監(jiān)測，實時了解巖層厚度變化，保障安全開采。

4 上行開采礦壓顯現規(guī)律分析

4.1 上部Ⅲ-2煤層回采工作面來壓步距理論分析

丁家梁煤礦Ⅲ-2煤層埋藏較淺，且只有上覆厚粉砂質泥巖為唯一硬巖層，滿足長梁型[14-15]基本頂失穩(wěn)的條件，可使用相應的理論計算公式進行相關計算。

初次來壓步距計算公式見式(3)。

(3)

周期來壓步距計算公式見式(4)。

(4)

式中：Lf為初次來壓步距，m；Lp為周期來壓步距，m；h2為斷裂基本頂的厚度，m;Rt為基本頂抗拉強度，MPa;γ為巖石容重，kN/m3；h3為隨動層(上覆軟層)的厚度，m；

根據Ⅲ-2煤層賦存條件，基本頂厚度取24 m，基本頂抗拉強度取1.94 MPa，上覆巖層容重取21 kN/m3，上覆隨動巖層厚度取20 m，帶入式(3)和式(4)中，得到Ⅲ-2煤層工作面初次垮落步距為48.96 m，周期垮落步距為20.16 m。

4.2 上部Ⅲ-2煤層回采工作面礦壓顯現實測分析

上部Ⅲ-2煤層綜采工作面長度100 m，采高3 m，循環(huán)進尺0.8 m，采用專用礦壓監(jiān)測設備監(jiān)測記錄工作面支架工作阻力在回采過程中的變化情況，通過近一個月的觀測，得到工作面支架工作阻力典型的變化特征，如圖4所示。

通過分析可知，丁家梁上部Ⅲ-2煤層綜采工作面初次來壓步距約為49 m，來壓持續(xù)3 m左右，支架工作阻力平均為8 873 kN，經計算，動載系數為1.35，動載顯現明顯。 周期來壓步距范圍為16.15～23.3 m，平均周期來壓步距19.9 m，來壓動載系數為1.3，來壓步距與理論計算結果基本一直，工作面回采過程中礦壓顯現明顯，需要保證液壓支架初撐力達到設定值，及時支護頂板，防止淺埋煤層頂板發(fā)生切落壓死支架。

圖4 Ⅲ-2煤層工作面支架工作阻力觀測結果Fig.4 Observation results of support working resistance in Ⅲ-2 coal seam

5 結 論

1) Ⅳ-2煤層工作面垮落帶高度范圍為7.20～11.60 m，裂隙帶延伸范圍為31.05～42.05 m，Ⅲ-2煤層基本位于Ⅳ-2煤層對應的裂隙帶上限重合的層位。

2) 數值模擬結果表明，Ⅲ-2煤層開采后，下部采空區(qū)頂板部分垮落，留設煤柱緩慢發(fā)生破壞，Ⅲ-2煤層與Ⅳ-2煤層間巖層裂隙帶貫通，但是層間圍巖整體穩(wěn)定，緩慢下層，形成新的穩(wěn)定結構，無大面積垮落現象，由此驗證Ⅲ-2煤層上行開采可行性，但Ⅲ-2煤層需采取必要的安全措施。

3) 理論計算Ⅲ-2煤層頂板破斷距離，初次垮落步距48.96 m，周期來壓步距20.16 m。Ⅲ-2煤層回采時，采取必要的安全措施，如縮短工作面長度至100 m，加快工作面推進速度，封閉下方采空區(qū)，加強地質環(huán)境監(jiān)測；實際開采過程中，初次來壓步距49 m，周期來壓步距19.9 m，動載系數約為1.3，礦壓顯現與理論計算相符且規(guī)律明顯。