近距离薄煤层上行开采可行性分析与实践

文/刘小强唐建新

近距离薄煤层上行开采可行性分析与实践

文/刘小强唐建新

达竹公司小河嘴煤矿24#煤层瓦斯含量高，2016（24）工作面在开采时出现淋水，顶板管理较为困难，工作面月推进度仅8～30m，长期达不到设计产量的要求。为此，小河嘴煤矿决定实验上行开采，即先采下方22煤层。上行开采是一种特殊的开采方法，这种方式有利于改善上层煤顶板管理条件，方便排水、瓦斯抽放等问题。本文通过研究和分析，弄清影响上行薄煤层综采的主要因素，对上行开采的可行性及效果进行分析和评估，为小河嘴煤矿推广应用近距离上行薄煤层综采提供可靠的实践经验和理论依据。

一、工作面概况

小河嘴煤矿2016（24）工作面地面标高580.0～648.1m，走向长743.5m，倾斜长117.8m。2016（22）工作面位于其底板19.7m处，初采位置与其切眼相距120米，东侧为2012（22）工作面采空区；走向长718.7m，倾斜长102m。24#煤厚度0.3m～0.75m，层厚不稳定，平均0.58m，倾角3°～24°；22#煤厚度0.49～0.95m，层厚稳定，平均0.64m，倾角4°～28°；两煤层煤质硬度小，脆度大，外生裂隙发育，常被方解石充填，属半暗-半亮型煤，对回采有一定影响。2016（24）工作面有断层构造，无褶曲；属于坚硬裂隙岩层为主的简单型水文。

二、上行开采可行性分析

1.可行性理论判别

（1）比值判别法。上行开采时，当下部开采一个煤层时，用比值K来判别。

2016（22）工作面对位于其下方的2016（24）工作面的采动影响系数K为26.3，两层煤之间岩性基本上为砂质泥岩，是中硬岩层。我国上行开采的实践和研究表明：当下部开采一个煤层时，对于中硬岩层，K＞7.5就可上行开采。故2016（24）工作面可进行上行开采。

（2）“三带”判别法。覆岩破坏高度和破坏特征，是衡量上行开采时对上部煤层采动影响的主要标志。国内外上行开采实例表明：当上下煤层的层间距大于下煤层的裂缝带高度时，上煤层只发生整体移动，整体性不受破坏，可正常进行上行开采。

经计算得出：22煤层开采后的垮落带高度为1.51m，导水裂缝带高度为9.0±5.1m，而24煤层与22煤层间距为19.7m，大于22煤层开采后的裂缝带高度，因此可判断24煤层只发生整体移动，可正常进行上行开采。

（3）围岩平衡法。在回采过程中，能够形成不发生台阶错动的平衡岩层结构的岩层称为平衡岩层。从下煤层顶板至平衡岩层顶板的高度为围岩平衡高度。上行开采时，当垮落带之上的采场覆岩中有坚硬且厚度大于2m的岩层时，该类岩层为平衡岩层，上煤层应位于距下煤层最近的平衡岩层之上。

根据综合柱状图，22煤层上方7.99m处厚度为3.68m的粉砂岩位于垮落带上方，裂隙不发育，不发生台阶下沉，为第一平衡岩层。

24煤层与22煤层间距19.7m，位于平衡岩层上方，自身可形成平衡岩层结构，层间不发生错动，上行开采可正常进行。

（4）时间间隔判定。在没有实测的采场上覆岩层的移动时间的情况下，根据K=36.4，则2016（24）工作面开采的间隔时间为5.9月。

2.数值模拟分析

根据工作面地质条件，小河嘴煤矿采用计算机对2016（22）工作面开采上覆岩层破坏、离层情况和24煤层垂直压力、位移等情况进行模拟。数值模型块体采用摩尔－库仑塑性模型，节理采用节理面接触－库仑滑移模型。

（1）顶板变形破坏规律。通过对工作面推进12m、24m、36m、50m、160m时顶板移动情况和塑性破坏分布进行模拟：

①22煤层工作面推进12m时，直接顶初次垮落。基本顶未发生断裂，在其下方形成离层空间，此时塑性破坏未影响到第一层关键层（粉砂岩）及上方岩层；

②随着工作面进一步推进，第一层关键层弯曲下沉，离层向上部基岩内扩展。工作面推进24m时，基本顶初次来压，在采空区中部趋于压实，采空区两侧各保持一个离层区；此时第二层关键层下方出现离层裂隙，塑性破坏直接影响24煤层；

③工作面推进36m时，基本顶周期来压，第二层关键层塑性破坏，下方离层裂隙中部压实。工作面推进50m时，第二层关键层下部离层裂隙闭合。之后随着工作面的推进，上覆岩层周期垮落、破坏，最终塑性破坏影响到边界。

24煤层在下煤层开挖过程中，未发生台阶下沉，煤层附近塑性破坏不严重，位于平衡岩层上方，自身可形成平衡岩层结构，层间不发生错动，上行开采可正常进行。

（2）24煤层垂直应力和位移变化规律。

垂直应力。随采空区范围不断扩大，24煤层应力重新分布，垂直应力可分为：应力增高区、应力卸压区和应力稳定区。充分采动阶段，应力增高区支承压力峰值基本保持稳定，为原岩应力的1.5倍。随着工作面推进，采空区上方岩层开始压实，采空区上方应力卸压区开切眼前方压力峰值逐渐降低，推进80m后压力峰值保持稳定，为原岩应力的0.49倍，工作面后方10m时压力接近为零。推进80m后采空区上方出现应力稳定区，范围为工作面后方40m，说明工作面采过40m，矸石基本压实，应力稳定区垂直应力基本等于原岩应力。

垂直位移。随着工作面推进，上覆岩层离层断裂、弯曲下沉，24煤层下沉量不断增大。充分采动阶段，位移下沉呈U型分布，下沉最大值基本位于工作面采空区正上方。工作面推进50m，下沉达到最大值为0.360m；随着采空区矸石的不断压实，采空区上方下沉趋于稳定，位移下沉呈倒钟形。

24煤层位移比较平缓，未出现台阶错动，保持连续性，上行开采可正常进行。

三、现场监测及分析

为研究2016（22）工作面开采对上方2016(24)工作面煤层及巷道变形破坏的影响，掌握顶板的活动规律，从而了解上行开采实践效果，小河嘴煤矿对2016（24）工作面风巷展开了为期7个月的矿压观测。

1.表面位移。顶板巷道活动可分为起始活动期、强烈活动期和活动衰退期。起始活动期：顶底板最大移近速度2.5mm/d，累积移近量10mm，两帮最大移近速度2.5mm/ d，累积移近量10mm；强烈活动期：顶底板最大移近速度17.5mm/d，累积移近量100mm，两帮最大移近速度5mm/d，累积移近量为20mm；之后巷道基本稳定，无明显活动衰退期。顶底板总移近量为110mm，两帮总移近量为30mm。

2.顶板离层。浅基点3m，位移最大值为0.7mm；深基点5.5m，没有变化。

从矿压监测结果可知：2016（22）工作面开采对上方2016(24)工作面煤层及巷道变形破坏的影响较小且在可控范围内，可通过采取一定的支护形式实现巷道围岩的稳定性。

四、结论

1.根据地质条件确定合理的开采时间是上行开采的重要环节，上覆岩层变形与破坏情况是上行开采是否可行的关键因素。一方面，在开采下煤层时，严密监测上煤层围岩矿压显现规律；另一方面，通过采取一定的支护手段，加强上煤层围岩的整体稳定性。

2.小河嘴煤矿上行开采试验表明：理论分析和数值模拟结果与现场实测能较好地吻合；24煤层与22煤层间距大于22煤层开采后的裂缝带高度，且层间不发生错动，上行开采应用效果良好，在取得了一定经济效益的同时，对于同类型矿井也有很好的借鉴价值。

（作者单位：四川达竹煤电集团有限责任公司小河嘴煤矿，重庆大学资源及环境科学学院）

（责任编辑：周琼）