軟巖礦區(qū)近距離厚煤層群上行開(kāi)采可行性研究

李壽君，李 哲，郝嘉偉，于 斌

(1.扎賚諾爾煤業(yè)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 滿洲里 021410；2.山東科技大學(xué)能源與礦業(yè)工程學(xué)院，山東 青島 266590)

煤層群開(kāi)采時(shí)，一般采用下行順序開(kāi)采(正常順序開(kāi)采)，但在某些地質(zhì)條件下，下行開(kāi)采有明顯缺陷，此時(shí)需要采用上行開(kāi)采，即先將下層煤作為保護(hù)層開(kāi)采，穩(wěn)定后再開(kāi)采上層煤，有利于礦井煤層群的高產(chǎn)高效開(kāi)采[1]。蔣金泉等[2]通過(guò)數(shù)值計(jì)算和相似材料模擬研究了下部煤層開(kāi)采后的垮落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶，提出了上行開(kāi)采可行性的評(píng)估指標(biāo)，指出采動(dòng)影響系數(shù)K的臨界值為5.5。張文杰等[3]對(duì)上部煤層的連續(xù)性和破壞程度分析進(jìn)行了探討，并對(duì)工作面平衡結(jié)構(gòu)的兩種類型及引起臺(tái)階錯(cuò)動(dòng)量的主要因素進(jìn)行了分析，從理論上確立了在大采高綜采背景下上行開(kāi)采的條件，并進(jìn)行了寺河礦大采高綜采上行開(kāi)采可行性分析，確定了其上行開(kāi)采的可行性。韓軍等[4]利用多元回歸分析方法，以直接頂初次垮落步距、時(shí)間間隔、采動(dòng)影響系數(shù)為自變量，以上煤層破壞程度為因變量，建立了近距離煤層群上行開(kāi)采可行性判據(jù)。王明立等[5]為保證刀柱式老采空區(qū)上行長(zhǎng)壁開(kāi)采安全，基于對(duì)層間巖體在采動(dòng)過(guò)程中的受力分析，綜合考慮層間巖體的黏聚力、摩擦阻力、采動(dòng)壓力、巖體自重、刀柱殘余承載力等因素的作用，提出了評(píng)價(jià)層間巖體穩(wěn)定性的安全系數(shù)法。張金海[6]依據(jù)FLAC軟件數(shù)值計(jì)算結(jié)果所提供的界面模型和滑移面模型，確定了上部煤層回采工作面下沉量和下沉盆地形態(tài)，研究解決了上行開(kāi)采薄煤層問(wèn)題。張恩強(qiáng)等[7]通過(guò)物理材料相似模擬實(shí)驗(yàn)及計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)合理論分析得出趙家梁礦可實(shí)現(xiàn)上行開(kāi)采的結(jié)論。郭繼圣等[8]應(yīng)用理論分析以及UDEC模擬軟件對(duì)壽陽(yáng)縣煤礦15號(hào)煤層上覆巖層和工作面回采后頂板破壞區(qū)域進(jìn)行研究，確定礦井進(jìn)行上行開(kāi)采是可行的。馬立強(qiáng)等[9]根據(jù)采動(dòng)覆巖裂隙發(fā)育規(guī)律，闡釋了近距煤層上行開(kāi)采機(jī)制，分析了上行開(kāi)采的可行性判別準(zhǔn)則。王廣利等[10]利用相似材料模擬方法分析了下部3-2煤層開(kāi)采對(duì)3-3煤層的影響，確定了清河門礦231采區(qū)3-3煤層上行開(kāi)采的可行性。孫澤東等[11]根據(jù)小回溝煤礦8#煤層和9#煤層特殊地質(zhì)情況，通過(guò)采動(dòng)影響系數(shù)法、“三帶”判斷法、圍巖平衡法論證得出8#煤層可以上行開(kāi)采，并運(yùn)用FLAC3D數(shù)值模擬驗(yàn)證了理論分析的正確性。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)軟巖礦區(qū)近距離厚煤層群上行開(kāi)采研究較少，本文首先采用FLAC3D有限元軟件進(jìn)行模擬，研究在開(kāi)采Ⅱ2-1煤層完畢，Ⅱ2-1煤層頂板全部破壞穩(wěn)定后，Ⅱ3煤層開(kāi)挖對(duì)Ⅱ2-2煤層底板的影響及Ⅱ2-1煤層受擾動(dòng)后對(duì)Ⅱ2-2煤層頂板的二次影響，最后運(yùn)用比值判別法和“三帶”判別法對(duì)靈東煤礦Ⅱ2-2煤層上行開(kāi)采可行性進(jìn)行判定。

1 礦井概況及地質(zhì)條件

靈東煤礦可采煤層7層，主要可采煤層為II2-1煤層、II2-2煤層和II3煤層，其中，Ⅱ2-1煤層可采厚度1.53～19.38 m，平均15.21 m，埋深264.80～471.57 m，平均310.51 m；Ⅱ2-2煤層可采厚度1.56～7.04 m，平均3.37 m，埋深287.97～518.04 m，平均337.66 m；Ⅱ3煤層可采厚度1.55～27.10 m，平均20.67 m，埋深296.14～563.39 m，平均410.15 m。這三煤層頂?shù)装鍘r性以泥巖、粉砂巖、炭質(zhì)泥巖或砂質(zhì)泥巖為主，煤層間距變化較大，均屬穩(wěn)定煤層。

Ⅱ2-1煤層與Ⅱ3煤層工作面近垂直布置，其中Ⅱ2-1煤層工作面采用一次采全高綜合放頂煤采煤法，工作面傾向長(zhǎng)度為200 m，走向長(zhǎng)度約為965.8 m；Ⅱ3煤層工作面采用預(yù)采頂分層放頂煤采煤法，頂分層采用大采高綜采工藝進(jìn)行開(kāi)采，采高為5 m，工作面傾向長(zhǎng)度為250 m，走向長(zhǎng)度約為1 270.5 m。工作面位置圖如圖1所示。

圖1 工作面位置圖

2 上行開(kāi)采數(shù)值模擬分析

計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬研究采用FLAC3D有限元軟件進(jìn)行分析，模擬內(nèi)容主要包括Ⅱ2-1煤層和Ⅱ3煤層開(kāi)采后頂?shù)装逅苄詤^(qū)、應(yīng)力的發(fā)育狀態(tài)，研究Ⅱ2-1煤層和Ⅱ3煤層開(kāi)采后對(duì)Ⅱ2-2煤層頂?shù)装宓牟蓜?dòng)影響效應(yīng)。

2.1 模型建立

為了研究Ⅱ3煤層開(kāi)采后對(duì)Ⅱ2-2煤層及其頂?shù)装宓牟蓜?dòng)影響效應(yīng)，建立FLAC3D數(shù)值模型，模型尺寸為長(zhǎng)×寬×高=350 m×350 m×450 m。由于模型已模擬至地表，故在模型上邊界無(wú)須施加垂直應(yīng)力。模型前后和左右邊界施加水平約束，底部邊界固定，模型采用莫爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則，模型中各巖層力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

2.2 模擬結(jié)果分析

2.2.1 Ⅱ2-1煤層開(kāi)挖對(duì)Ⅱ2-2煤層頂板的影響

本模型在開(kāi)采Ⅱ2-1煤層完畢，Ⅱ2-1煤層頂板全部破壞穩(wěn)定后，對(duì)Ⅱ3煤層進(jìn)行開(kāi)采。首先開(kāi)挖Ⅱ2-1煤層，模擬完成后對(duì)模型作“切片處理”，根據(jù)模型中Ⅱ2-1煤層底板塑性區(qū)分布及Ⅱ2-2煤層應(yīng)力分布情況，研究開(kāi)采Ⅱ2-1煤層對(duì)Ⅱ2-2煤層頂板穩(wěn)定性的影響。

表1 各巖層力學(xué)參數(shù)表

如圖2所示，Ⅱ2-1煤層開(kāi)采后，頂板破壞高度為88 m，底板破壞深度為10 m，未對(duì)Ⅱ2-2煤層造成采動(dòng)影響。由圖3可知，在Ⅱ2-1煤層采空后，在Ⅱ2-1煤層工作面兩側(cè)煤柱邊緣會(huì)形成應(yīng)力集中區(qū)，影響Ⅱ2-2煤層的安全開(kāi)采。因此，Ⅱ2-2煤層回采時(shí)應(yīng)避開(kāi)Ⅱ2-1煤層煤柱邊緣形成的應(yīng)力集中區(qū)，避免在Ⅱ2-2煤層工作面開(kāi)采過(guò)程中發(fā)生直接頂漏冒現(xiàn)象，加強(qiáng)Ⅱ2-2煤層工作面的頂板控制管理。

2.2.2 Ⅱ3煤層開(kāi)挖對(duì)Ⅱ2-2煤層頂?shù)装宓挠绊?/p>

圖2 Ⅱ2-1煤層開(kāi)采后頂?shù)装逅苄詤^(qū)圖

圖3 Ⅱ2-1煤層開(kāi)采后頂?shù)装鍛?yīng)力云圖

為研究Ⅱ3煤層開(kāi)挖對(duì)Ⅱ2-2煤層底板的影響及Ⅱ2-1煤層受擾動(dòng)后對(duì)Ⅱ2-2煤層頂板的二次影響，分別按照Ⅱ3煤層工作面推進(jìn)25 m、50 m、75 m、125 m、150 m、200 m時(shí)的情況進(jìn)行模擬，對(duì)不同推進(jìn)步距下的模型作“切片處理”。Ⅱ3煤層開(kāi)挖過(guò)程中Ⅱ2-1煤層和Ⅱ3煤層頂?shù)装逅苄詤^(qū)分布如圖4所示，頂?shù)装宕怪睉?yīng)力分布如圖5所示。

當(dāng)Ⅱ3煤層工作面推進(jìn)到25～50 m時(shí)，上覆采空區(qū)應(yīng)力分布受采動(dòng)影響變化并不明顯，且Ⅱ3煤層推進(jìn)后出現(xiàn)的擾動(dòng)應(yīng)力對(duì)Ⅱ2-2煤層的影響不大。Ⅱ3煤層工作面頂板受采動(dòng)影響破壞高度不斷增大，Ⅱ2-1煤層底板受采動(dòng)影響不明顯，破壞深度沒(méi)有增加。當(dāng)Ⅱ3煤層工作面推進(jìn)到75～125 m時(shí)，上覆采空區(qū)煤壁兩側(cè)應(yīng)力分布受采動(dòng)影響變化不大，對(duì)下方Ⅱ2-2煤層頂板影響不明顯，Ⅱ3煤層推進(jìn)后左側(cè)煤柱邊緣出現(xiàn)的應(yīng)力集中對(duì)Ⅱ2-2煤層底板的影響較大。Ⅱ3煤層頂板受采動(dòng)影響破壞高度不斷增大，Ⅱ2-1煤層底板破壞深度也有所增加，此時(shí)底板破壞深度為15 m。當(dāng)Ⅱ3煤層工作面推進(jìn)到150 m以上時(shí)，上覆采空區(qū)煤壁兩側(cè)應(yīng)力分布對(duì)Ⅱ2-2煤層頂板影響較小，而Ⅱ3煤層推進(jìn)后左側(cè)煤柱邊緣出現(xiàn)的應(yīng)力集中對(duì)Ⅱ2-2煤層頂?shù)装宓挠绊懨黠@增大。Ⅱ3煤層工作面頂板破壞高度達(dá)到最大，破壞高度為41.5 m，Ⅱ2-1煤層底板破壞深度也增大到20 m，對(duì)Ⅱ2-2煤層無(wú)直接破壞影響。Ⅱ2-1煤層與Ⅱ3煤層工作面兩側(cè)煤柱產(chǎn)生的應(yīng)力集中區(qū)對(duì)Ⅱ2-2煤層的安全生產(chǎn)有一定程度上的影響。

圖4 塑性區(qū)分布圖

圖5 應(yīng)力分布云圖

3 Ⅱ2-2煤層上行開(kāi)采可行性分析

3.1 上行開(kāi)采可行性判別方法

我國(guó)常用上行開(kāi)采可行性分析方法主要有比值判別法和“三帶”判別法，下面對(duì)兩種方法進(jìn)行詳細(xì)介紹。

3.1.1 比值判別法

兩個(gè)煤層上行開(kāi)采的比值判別法如圖6所示，上下煤層層間距H與下位煤層采厚M2的比值K可按式(1)計(jì)算。

(1)

式中：K為上下煤層層間距與下位煤層采厚的比值；H為上下煤層層間距，m；M2為下位m2煤層采厚，m。

圖6 兩個(gè)煤層上行開(kāi)采的比值判別法

根據(jù)我國(guó)垮落上行開(kāi)采的實(shí)踐和研究表明，當(dāng)滿足下列條件時(shí)，先采下位煤層，在上位煤層中可以進(jìn)行正常采掘活動(dòng)。當(dāng)上下煤層之間的巖性為堅(jiān)硬巖層時(shí)，K>8；當(dāng)上下巖層間的巖性為中硬巖層時(shí)，K>7.5；當(dāng)上下煤層間巖性為軟弱巖層時(shí)，K>7。由此可對(duì)上行開(kāi)采的可行程度做出判別、對(duì)上行開(kāi)采效果做出預(yù)測(cè)、對(duì)礦區(qū)進(jìn)行上行開(kāi)采的區(qū)域劃分，為采掘部署及開(kāi)采設(shè)計(jì)提供決策依據(jù)。

3.1.2 “三帶”判別法

“三帶”判別法是一種常用的上行開(kāi)采判別方法?！叭龓А迸袆e法的主要依據(jù)是：當(dāng)下部煤層開(kāi)采后，如果上部煤層處于冒落帶范圍內(nèi)時(shí)，下部煤層的開(kāi)采會(huì)對(duì)上部煤層的整體性和完整性造成很大的破壞，則不能采用上行開(kāi)采；如果上部煤層位于裂隙帶范圍內(nèi)時(shí)，則上部煤層可在下部煤層開(kāi)采后采取一定措施進(jìn)行回采；如果上部煤層位于裂隙帶范圍以上時(shí)，則可以進(jìn)行上行開(kāi)采。

厚煤層綜放開(kāi)采時(shí)，放煤高度以上的煤層也在垮落帶范圍內(nèi)，垮落帶高度應(yīng)以此開(kāi)始計(jì)算。結(jié)合綜放工作面煤層的采放有效厚度的概念，將有效厚度以上的煤層作為煤頂處理，采放有效厚度作為“真正”的采煤厚度，則垮落帶計(jì)算公式為式(2)。

(2)

式中：Mn為采放有效厚度；Ф為采放有效厚度的回采率，一般取0.75～0.95；Kk為煤巖綜合碎脹系數(shù)，一般取1.2～1.4。

3.2 Ⅱ2-2煤層上行開(kāi)采可行性判定

由地質(zhì)資料可知，Ⅱ2-2煤層可采區(qū)域下部的Ⅱ3煤層，賦存厚度及其與Ⅱ2-2煤層的層間距變化范圍較大，而下煤層采高和兩層煤間距是影響上行開(kāi)采的決定因素。因此，采用比值判別法和“三帶”判別法，對(duì)下層煤不同厚度時(shí)所需最小層間距進(jìn)行計(jì)算，兩種判別方法獲得的層間距結(jié)果有一定差異，從安全角度考慮，以兩者中的較大值作為最終判定結(jié)果且兩種方法判定結(jié)果均為可以上行開(kāi)采時(shí)，該位置才判定為可以上行開(kāi)采，否則，判定為不可上行開(kāi)采。判定結(jié)果見(jiàn)表2。

由表2可知，23-24勘查線、24-25勘查線、25-26勘查線、26-27勘查線、27-28勘查線、30勘查線和32勘查線揭露Ⅱ2-2煤層的可采區(qū)域，均滿足上行開(kāi)采要求，可以進(jìn)行上行開(kāi)采；19-20勘查線77-5鉆孔和77-6鉆孔、21勘查線77-16鉆孔與89-1鉆孔和22勘查線77-27鉆孔附近的層間距滿足最小層間距要求，但應(yīng)采取措施(如充填開(kāi)采)才可以實(shí)行上行開(kāi)采。

綜上所述，Ⅱ2-2煤層可以上行開(kāi)采。如圖7所示，對(duì)于上行開(kāi)采區(qū)域，Ⅱ3煤層開(kāi)采過(guò)程中需采取一定的技術(shù)措施，減小對(duì)Ⅱ2-2煤層采動(dòng)影響。

表2 下煤層不同厚度時(shí)可以上行開(kāi)采的層間距范圍

續(xù)表2

圖7 Ⅱ2-2煤層上行開(kāi)采區(qū)域劃分

4 結(jié) 論

1) 當(dāng)Ⅱ3煤層工作面未推進(jìn)到150 m時(shí)，隨著Ⅱ3煤層工作面的不斷推進(jìn)，Ⅱ3煤層頂板破壞高度不斷增大，Ⅱ2-1煤層底板破壞深度也有所增加，在Ⅱ3煤層推進(jìn)后工作面左側(cè)煤柱邊緣出現(xiàn)的應(yīng)力集中對(duì)Ⅱ2-2煤層的影響不大，上覆采空區(qū)煤壁兩側(cè)應(yīng)力分布受采動(dòng)影響變化不大，對(duì)下方Ⅱ2-2煤層頂板影響不明顯。

2) 當(dāng)Ⅱ3煤層工作面推進(jìn)到150 m以上，頂板破壞高度達(dá)到最大，破壞高度為41.5 m，Ⅱ2-1煤層底板破壞深度也增大到20 m，對(duì)Ⅱ2-2煤層無(wú)直接破壞影響。Ⅱ2-1煤層與Ⅱ3煤層工作面兩側(cè)煤柱產(chǎn)生的應(yīng)力集中區(qū)對(duì)Ⅱ2-2煤層的安全生產(chǎn)有一定程度上的影響。

3) 通過(guò)比值判別法和“三帶”判別法對(duì)靈東煤礦軟巖厚煤層Ⅱ2-2煤層上行開(kāi)采的可行性進(jìn)行了判定，由綜合判定結(jié)果可知Ⅱ3煤層開(kāi)采后，Ⅱ3煤層與Ⅱ2-2煤層的層間距能滿足Ⅱ2-2煤層上行開(kāi)采的要求。