錢家營(yíng)礦近距離煤層上行開采可行性研究

劉建軍，劉建莊，靖學(xué)穎

（1.開灤能源化工股份有限公司，河北 唐山 063012；2.華北理工大學(xué) 河北省礦業(yè)開發(fā)與安全技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 唐山 063210）

0 引言

我國(guó)煤炭資源豐富，煤層的存在方式多種多樣，在開采過程中一般使用下行開采方式，但是對(duì)于一些復(fù)雜地質(zhì)礦井下行開采方式并不實(shí)用，采用上行開采的方式更具有優(yōu)勢(shì)。我國(guó)學(xué)者們對(duì)近距離煤層上行開采做了大量的研究[1-6]。李崗偉等[7]為研究陶忽圖煤礦近距離厚煤層上行開采的可行性，理論計(jì)算出了下部煤層開采所形成的保護(hù)范圍，并通過理論分析及相似模擬手段，得出了3-1 煤層開采后對(duì)2-2 煤層整體的影響程度及礦壓顯現(xiàn)規(guī)律。袁光明等[8]運(yùn)用統(tǒng)計(jì)分析和UDEC 數(shù)值模擬的方式，通過考慮下部煤層開采厚度、煤層間距、層間巖層巖性指數(shù)來構(gòu)建預(yù)計(jì)公式，提出了以上部煤層臺(tái)階錯(cuò)動(dòng)量作為核心指標(biāo)的近距離煤層上行開采可行性判別方法。李楊等[9]通過考慮煤層群開采擾動(dòng)、煤系地層力學(xué)性質(zhì)和覆巖破斷特征的影響，形成了開灤礦區(qū)上行協(xié)調(diào)開采可行度判別式與評(píng)價(jià)體系。楊五五[10]以甘莊煤礦為背景綜合運(yùn)用巖石力學(xué)試驗(yàn)和數(shù)值模擬方法來研究近距離煤層刀柱式開采上行蹬空開采安全性問題,預(yù)測(cè)分析了不同長(zhǎng)度的工作面上行開采所引起的采動(dòng)覆巖及層間巖層應(yīng)力變化，綜合評(píng)價(jià)了甘莊煤礦上行開采可行性。以上研究為下位12 煤層開采后，對(duì)上位9 煤層開采進(jìn)行判定提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

1 工程概況

錢家營(yíng)礦主要可采煤層有5 層，分別為5 煤層（1.2 m） 7 煤層（4.1 m）、8 煤層（1.8 m）、9 煤層（1.9 m）、12 煤層（3.4 m），除5 煤、12 煤與相鄰煤層間距在30 m 左右外，7 煤、8 煤、9 煤層間距均較小，在2～8 m。綜合考慮產(chǎn)量和煤經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的需求，選用7、8、12、9、5 煤層依次開采的開采模式。由于9 煤層在開采之前，上部7、8 煤層，下部12 煤層均已完成開采，在此開采條件下，9煤層的開采和單一上行開采有顯著的差異，給煤層的開采帶來新的技術(shù)問題。9 煤層上行開采的可行性是開采模式選擇的關(guān)鍵因素，因此對(duì)9 煤層進(jìn)行上行開采可行性研究。

1692 工作面與1681、1682 工作面間距為1.2 ～10.8 m，平均間距5.6 m，分別是1.1 m 的細(xì)砂巖、2.6 m 的細(xì)砂巖和1.9 m 的泥巖，與1622 工作面平均間距約30 m。1692 工作面上部有1681、1682 工作面間殘留的區(qū)段保護(hù)煤柱，寬度為12 m，下方為1622 采空區(qū)，巷道剖面布置如圖1 所示。

圖1 巷道剖面布置Fig.1 roadway profile layout

1692 工作面走向長(zhǎng)553 m，傾斜長(zhǎng)160 m，頂?shù)装迩闆r見表1，其下方為12 煤層已經(jīng)開采的1622 工作面，頂?shù)装迩闆r見表2。

表1 1692 工作面頂?shù)装迩闆rTable 11692 roof and floor of working face

表2 1622 工作面頂?shù)装迩闆rTable 21622 roof and floor of working face

2 上行開采判別

2.1 比值判別法法

利用比值判別法來計(jì)算錢家營(yíng)礦1692 工作面的采動(dòng)影響系數(shù)。1692 工作面下部為單一煤層開采，可按公式（1） 進(jìn)行計(jì)算[11]，計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 注漿加固后303 盤區(qū)工程費(fèi)用Table 3 Construction cost of 303 panel after grouting reinforcement

表3 采動(dòng)影響系數(shù)計(jì)算結(jié)果Table 3 Calculation results of mining influence coefficient

式中：K 為采動(dòng)影響系數(shù)；H 為上下煤層之間的垂距，m；M 為下煤層采高，m。

根據(jù)比值法的判別結(jié)果，1692 工作面采動(dòng)影響系數(shù)滿足要求，按照采動(dòng)影響系數(shù)方法判斷可以進(jìn)行上行開采。

2.2 “三帶”判別法

“三帶”判別法認(rèn)為當(dāng)上部煤層位于下部煤層冒落帶范圍之內(nèi)時(shí)，不能進(jìn)行上行開采；當(dāng)上部煤層位于下部煤層的裂隙帶時(shí)，上部煤層只是受到中等程度破壞，采取一定措施后，可以實(shí)現(xiàn)上行開采；當(dāng)上部煤層位于下部煤層的裂隙帶之上時(shí)，可進(jìn)行上行開采[12]。對(duì)于緩斜煤層，當(dāng)煤層頂板覆巖內(nèi)為堅(jiān)硬、中硬、軟弱、極軟弱巖層或其互層時(shí)垮落帶高度和裂隙帶高度計(jì)算方式不一樣，結(jié)合1692 工作面頂板巖性特征，垮落帶最大高度Hm可按公式（2） 來計(jì)算[11]，裂隙帶最大高度Hli可按公式（3） 來計(jì)算，上行開采工作面與“三帶”的關(guān)系見表4。

表4 上行開采工作面與“三帶”的關(guān)系Table 4 Relationship between upward mining face and"three zones"

式中：Hm為垮落帶最大高度，m；Hli為裂隙帶最大高度，m；∑M 為累計(jì)采厚，m。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，1692 工作面全部位于垮落帶之上，處于下伏工作面開采后的裂隙帶或彎曲下沉帶，已有研究表明，在裂隙帶以及彎曲下沉帶中的煤層完整性并未受到嚴(yán)重破壞，通過現(xiàn)有的技術(shù)手段可以進(jìn)行開采，因此1692 工作面上行開采是可行的。

2.3 圍巖平衡法

平衡巖層指的是在回采過程中，形成不發(fā)生臺(tái)階錯(cuò)動(dòng)的平衡巖層結(jié)構(gòu)。從下煤層頂板到平衡巖層頂板的高度稱之為圍巖平衡高度，上行開采過程中應(yīng)當(dāng)滿足的層間距H 可按公式（4） 來計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表5。

表5 上行開采平衡圍巖高度判別結(jié)果Table 5 Discriminant result of balanced surrounding rock height in upward mining

式中：M 為下煤層采高，m；K1為巖石碎脹系數(shù)；h 為平衡巖層本身厚度，m。

分析結(jié)果可知，在開采過程中頂板巖層跨落之后，頂板上方堅(jiān)硬的巖層起到了平衡巖層的作用，上覆巖煤層不會(huì)發(fā)生臺(tái)階錯(cuò)動(dòng)，因此說明錢家營(yíng)礦1692 工作面可以進(jìn)行上行開采。

3 數(shù)值模擬

3.1 建立地質(zhì)模型

以錢家營(yíng)煤礦1692 工作面所在的9 煤層為研究對(duì)象，采用數(shù)值模擬的研究方法，對(duì)比分析上行、下行2 種開采方式對(duì)9 煤層及1692 工作面開采的影響。圖2 為1692 工作面所在采區(qū)區(qū)域的數(shù)值模型三維圖形，該模型長(zhǎng)580 m、寬360 m、高233.8 m，模型前后面、左右面以及底面施加速度和位移為零的約束條件，上覆巖層以荷載的形式施加在頂部。

圖2 數(shù)值模擬模型Fig.2 numerical simulation model

3.2 上行、下行開采對(duì)9 煤層影響

通過對(duì)比上行開采和下行開采對(duì)9 煤層的影響來確定合理的開采方式。采用下行開采方式后9 煤層開采之前垂直應(yīng)力如圖3 所示，采用上行開采方式后9 煤層開采之前垂直應(yīng)力如圖4 所示，模型中部區(qū)域垂直應(yīng)力的變化曲線如圖5 所示。

圖3 下行開采前9 煤層垂直應(yīng)力分布Fig.3 Vertical stress distribution in the first 9 coal seams before downward mining

圖4 上行開采前9 煤層垂直應(yīng)力分布Fig.4 Vertical stress distribution of coal seam 9 before upward mining

圖5 上下行開采對(duì)9 煤層垂直應(yīng)力分布的影響Figure.5 Influence of upward and downward mining on vertical stress distribution in No.9 coal seam

通過綜合分析垂直應(yīng)力分布圖以及垂直應(yīng)力分布曲線可得，由于受7、8 煤層開采卸壓的影響，垂直應(yīng)力向煤層兩側(cè)的煤壁煤轉(zhuǎn)移，雖然此時(shí)無論采用上行開采還是下行開采，對(duì)9 煤層開采之前垂直應(yīng)力的大小和分布的影響都并不顯著，但是下行開采中，在7、8 煤層工作面煤柱下方以及實(shí)體煤一側(cè)出現(xiàn)了較高的支承壓力，而在上行開采中，受12 煤層開采卸壓的影響，7、8 煤層殘留煤柱向9煤層傳遞的支承壓力對(duì)9 煤層應(yīng)力的分布沒有顯著的影響。

4 結(jié)語

綜合運(yùn)用比值判別法、“三帶”判別法以及圍巖平衡法對(duì)9 煤層1692 工作面上行開采的可行性進(jìn)行研究，得出9 煤層1692 工作面位于12 煤層開采后冒落帶上方的裂隙帶中，煤層整體性較好，滿足上行開采的要求。同時(shí)運(yùn)用數(shù)值模擬對(duì)上行開采和下行開采兩種開采模式進(jìn)行了對(duì)比分析，得出上行開采相對(duì)下行開采而言，工作面以及巷道處于低應(yīng)力區(qū)域，有利于巷道的布置和采場(chǎng)礦壓管理，確定了9 煤層進(jìn)行上行開采的可行性。