崔家寨矿近距离煤层上行开采的可行性研究

2013-10-22侯宪明

山西煤炭 2013年4期

侯宪明

（大同鹊山高家窑煤业有限责任公司，山西大同 037100）

1 煤层概况

崔家寨矿主采6号、5号煤层，生产能力180万t/a。5号煤层平均厚度4.1m，埋深350～400m，倾角0～8°；结构简单，稳定可采，其顶板较平缓，岩性主要为粉砂岩、细砂岩，属坚硬顶板。6号煤层厚度3.5～4m，平均厚度3.2 m，倾角小于8°，为稳定可采煤层。6号煤层与5号煤层的层间距16～32m，平均22.12m，属于近距离煤层群。根据地质勘探资料，由于周边小煤矿对5号煤破坏性开采，使5号煤层形成了不同大小的采空区，迫使崔家寨矿不得不采用近距离煤层上行开采技术开采6号煤层。

2 理论分析

当煤层群中的下部煤开采后，其上部岩层将受到一定程度的破坏，根据破坏程度的不同，可将岩层分为垮落带、裂隙带、弯曲下沉带[1]。当上部煤层处于冒落带时，煤层将遭受严重破坏,无法开采；当上部煤层处于裂缝带时，煤层发生中等程度的破坏，采取一定的安全措施后可以开采；当上部煤层处于弯曲带时，上部煤层整体移动的基本结构不受破坏，可以开采[2]。

根据“三带”判别[3]，5号煤顶板岩层主要有细砂岩、中砂岩等组成，属中硬岩层。冒落带高度Hm算式如下：

裂隙带高度Hm算式如下：

以上计算结果，由5、6号煤层间距22.12 m可知：5号煤上方直接顶处在冒落带范围之内，老顶处在裂隙带下位岩层中，裂隙较发育，6号煤位于5号煤开采后的裂隙带中部。6号煤在采取一定安全措施后可以进行回采。

3 数值模型建立

根据崔家寨矿回采工作面的实际开采条件，采用UDEC计算软件建立水平数值计算模型，按5号煤开挖后“三带”的特征，研究6号煤在5号煤开挖后的围岩应力及其围岩变形。岩层物理力学参数，如表1所示，数值模拟物理模型，见图1。

表1 岩层的物理力学参数

图1 数值模拟的物理模型

4 数值计算结果分析

5号煤开挖计算稳定后，顶板冒落、岩层活动、三带分布、裂隙分布、位移矢量、垂直应力、水平应力曲线见图2。图中位移矢量图中的箭头代表位移的方向，箭头的长短代表位移的大小；应力图中的数值代表应力等值线上的应力大小，正的数值代表压应力，单位MPa。从图看出：在计算稳定后，5号煤直接顶冒落，冒落岩块在采空区压实；老顶周期性断裂，断裂后在冒落岩块上有规律地成砌体梁分布。冒落带从5号煤层顶部到直接顶的上部，高度10m左右；裂隙带从5号煤的直接顶的上部到6号煤的老顶，高度30 m左右；以裂隙带以上直到地面为弯曲下沉带。由模拟结果明显看出6号煤位于5号煤层裂隙带范围之内。

图2 计算稳定后数值模拟结果

5号煤开挖空间周围的岩体向开挖空间内移动，顶板和两帮围岩移动量最大，顶板围岩移动量4 m左右，两帮围岩移动量9.5m左右；其中距离顶板10m范围内的围岩移近量最大。开挖空间周围水平应力在两帮逐渐增大，在距离开挖边界30m处达到原岩应力。在开挖空间的顶部有一个应力降低区，距离开挖空间40 m处，应力降到最小值2 MPa。在距离开挖空间顶部40 m，水平距离为120m的两边各有一个应力增高区，最大值可达13 MPa。5号煤开挖空间周围垂直应力在两帮先增大、后减小，在距离开挖边界50m处达到最大值13MPa，顶底板的应力随着远离开挖空间而逐渐增大，直到距离5号煤层顶板40m左右达到原岩应力。由模拟结论知：在距离5号煤层顶板10 m范围内，围岩移近量、围岩应力都较大，不宜布置工作面。在距离5号煤层顶板10m到40 m范围之内，围岩移近量和应力不稳定，此时布置工作面必须采取相应的安全措施（防止围岩变形）。在距离5号煤层顶板40 m以外的地方，布置工作面最为安全，且工作面长度不宜大于120m。