复杂地质条件近距离煤层上行开采技术研究与实践

张京超，续文峰

(新汶矿业集团(伊犁)能源公司，新疆 伊宁 835000)

复杂地质条件近距离煤层上行开采技术研究与实践

张京超，续文峰

(新汶矿业集团(伊犁)能源公司，新疆 伊宁 835000)

永新煤矿A6煤层和A6上煤层最小层间距19.8m，利用比值分析法、“三带”判别法、数理统计分析法、围岩平衡法进行上行开采可行性分析，判别A6上煤层位于A6煤层覆岩准平衡带及中裂隙亚带内。利用UDEC建立二维离散元模型，模拟分析了A6 煤层开采后覆岩运移及应力变化情况，对理论分析结论进行了验证。研究结果表明A6上煤层可进行上行开采。

复杂条件；近距离煤层；上行开采；数值模拟

上行开采技术的研究在采矿界已有较长历史，我国在煤层上行开采研究方面取得了大量的成果[1-3]。永新煤矿由于矿井接续困难，拟对A6上煤层实行上行开采。鉴于煤层间距小，地质条件复杂，在尽量还原采矿环境的基础上，采用理论分析与数值模拟方法，验证A6上煤层上行开采可行性，以确保矿井安全生产。

1 矿井概况

新疆库车县永新煤矿采用平硐开拓，设计生产能力为0.6Mt/a。井田内地形破碎，沟、梁相间，沟、梁多沿岩层走向延伸。矿井地质条件复杂，煤层露头区浅部地带多受煤层自燃烘烤，己变形变质，主要在矿区东部和南部边界附近沿煤层露头走向呈条带状东西向展布；烧变岩含水层为矿区一特殊含水层，广泛分布于矿区内煤层露头及浅部煤层的上部，均为死火区，主要接受大气降水、融化雪水和季节性地表水补给，由于受地形和水文地质条件差异的影响，火烧深度不一，含水情况也不相同，局部地段有利于地下水赋集，富水性相对较强，多以静储存量为主，是威胁矿井开采安全的主要含水层。矿井地层含A6，A5，A3，A2，A1共5个可采煤层，平均倾角为8°。矿井首采A6煤层，层厚3.15m，A601，A602工作面已结束。2012年通过补充勘探探明A6煤层上覆平均厚度5m的A6上煤层，层间距19.8～22.64m。由于矿井A6煤层与A5煤层接续紧张，并为了回收新增资源，拟将A6上煤层作为A6煤层接续煤层开采，需要对A6上煤层上行开采进行可行性研究。A6上与A6煤层关系见综合柱状图1。

图1 综合柱状

2 上行开采可行性分析

2.1 比值判别法

上下煤层层间距H与下位煤层采厚M2的比值K可按下式计算[4]：

K=H/M2

式中，K为上下煤层层间距与下位煤层采厚的比值；H为上下煤层层间距，m；M2为下位煤层采厚，m。

当A6 煤开采后，A6 煤层厚度2.5～3.8m，平均煤厚3.15m，采高3.0m。A6 与A6上煤层之间层间距19.8～22.64m，按实际采高3.0m 作为采厚，最小层间距19.8m 计算， 则K=19.8/3.0=6.6。

故按照比值判别分析，A6上煤层位于A6 覆岩准平衡带及中裂隙亚带内，采取一定技术措施，可进行上行开采。

2.2 数理统计分析法

根据我国煤矿上行开采的部分实例，分析回归出求算下部相邻煤层采动影响的上行开采的必须层间距H的经验公式：

H>1.14M2+4.14+MS

式中，M2为下煤层采高，m；MS为上煤层厚度，m。

矿井地质钻孔反映了A6煤层与A6上煤层之间最小层间距为19.8m，按照数理统计分析法经验公式计算，上行开采的最小层间距Hmin为：

Hmin=1.14M2+4.14+MS=1.14×3.0+4.14+5.0=12.6m<19.8m

从数理统计分析法的角度，煤层层间距能够满足进行上行开采的条件。

通过比值判别法及数理统计法分析，为了确保上行开采的可靠性，将A6上煤层开采巷道沿顶板布置，并布置在A6煤层开采边界影响范围以外；开采时留设底煤，将采高控制在2.5～3m之间，相当于增大了层间距，提高上行开采的可靠性与安全程度。

3 A6上煤层上行开采可行性的数值模拟

3.1 模型建立

根据矿井地质资料，采用二维离散元软件UDEC对A6煤层开采状况进行数值模拟。所建模型尺寸为300m(长)×150m(高)，见图2。为了模拟准确性，模拟中的岩石力学参数来自现场，在模拟过程中，对相近的岩性进行合并，共划分11层[5]。岩层力学参数见表1。

图2 数值模拟模型

在模拟过程中，对模型两边界限制水平位移，底边界限制垂直位移，上边界自由。为消除边界效应，模型两边各留75m的煤柱。模型每10m开挖1次，共开挖150m，不做任何处理。

表1 岩石力学参数

3.2 模拟结果

A6煤层工作面推进不同距离时覆岩运动情况见图3。

图3 A6煤层工作面推进不同距离覆岩运动情况

当A6煤层工作面推进到20m位置时，A6煤层上方直接顶垮落。当工作面推进到40m时，工作面上方出现明显的裂缝带。随着A6煤层工作面的不断推进，A6煤层裂缝带高度不断增高，当工作面推进80m时，开采扰动波及A6上煤层，A6上煤层及其直接顶出现弯曲下沉。当工作面推进至100m时，A6上煤层直接顶与基本顶之间出现离层，当工作面推采到120m时，覆岩裂缝带不再向上发展，形成稳定的开采沉降。可见，A6煤层开采后，A6上煤层处于A6煤层开采的导水裂缝带范围内，且位于导水裂缝带的下部范围，A6上煤层的结构发生中等程度破坏，A6煤层开采后，采取一定的技术和安全措施，A6上煤层可以开采。

在工作面往前推采过程中，采空区边缘出现了较明显的应力集中区，如图4所示。 A6煤层基本顶也出现了比较明显的应力集中区，随着工作面的继续推进，基本顶破断，基本顶及其覆岩压力向采空区释放，采空区上方形成卸压区。在工作面前方靠近煤壁处，由于受到上方覆岩破断影响，压力增加，发生塑性破坏，原来在工作面附近的应力集中向煤体内部转移。随着工作面的继续推采，采空区内冒落的矸石逐渐被压实，形成一定的支撑能力。将A6上煤层工作面布置在A6煤层采空区上的卸压区，有利于上行开采顺利进行。

图4 A6煤层采动影响应力分布

4 上行开采实践

在可行性分析的基础上，矿井制定安全保障措施，进行了上行开采实践，目前A6上煤层采区第1个采煤工作面已安全产煤0.65Mt。

4.1顶板控制

(1)A6上煤层开采受到A6煤层开采边界条件的影响，将A6上煤层回采巷道布置在A6煤层开采边界影响范围10m以外，避开了A6煤层实体煤区和区段煤柱区域，区段巷道布置在层间岩层断裂带范围以外，成功避开了应力显现区，掘进巷道无明显应力显现。

(2)A6上煤层位于A6煤层开采的准平衡带负载层内，位于覆岩运动“三带”的裂隙带下位，煤层及顶底板受到破坏，劈理裂隙发育，掘进时通过采取拱形巷道断面提高巷道承载能力，长锚索补强措施形成较厚稳定梁，增强了悬吊作用，提高巷道顶板稳定性。

(3)加强掘进期间和回采工作面初次放顶、初次来压和正常生产期间的矿压观测，搞好工作面支护质量动态监测，对顶煤、顶板移动破碎及冒落规律进行观测、分析和控制。

(4)做好回采工作面液压支架的使用和维护，保证支架状态完好，避免支架漏液、窜液现象，保证支架的初撑力和工作阻力。

4.2 防治水工作

(1)A6上煤层开采存在本煤层边界火烧区及上覆A8煤层火烧区水害威胁，提前对火烧区含水情况进行探明并疏放，消除对开采带来的威胁。

(2)进行水文评价，计算矿井涌水量，核定排水能力，做到排水系统合理、可靠。

4.3 一通三防

A6煤层开采的采空区与A6上煤层存在裂隙导通的隐患，采煤工作面开采前敷设好注氮和黄泥灌浆管路，完善了防灭火系统；采掘工作面配备专职瓦斯检查员进行瓦斯、CO等有害气体检查；加强采掘工作面O2检测，保证工作面O2浓度符合要求；回风巷安设束管监测设备，定期取样分析，及时准确分析CO等有害气体，有效地防治了A6煤层采空区有害气体向A6上煤层采场运移引起的有害气体超限、煤层自燃及局部瓦斯集聚。

5 结论

通过采用理论分析，数值模拟等方法并结合工程实践，对A6上煤层上行开采进行综合论证，结果表明：A6上煤层位于A6煤层采动裂缝带下位，在A6煤层开采后，A6上煤层受采动影响较小，采取一定措施，可实施上行开采。在技术保障的前提下，针对在开采过程中存在的顶板、水、火等灾害威胁，制定可靠的防范措施，实现了安全上行开采，延长了矿井服务年限，为复杂地质条件近距离煤层上行安全开采提供了借鉴。

[1]汪理全，李中颃.煤层群上行开采技术[M].北京：煤炭工业出版社，1994.

[2]马立强，汪理全，乔京立，等.平四矿近距离煤层上行综放开采研究[J].采矿与安全工程学报，2009，25(3).

[3]冯国瑞，闫 旭，王鲜霞，等.上行开采层间岩层控制的关键位置判定[J].岩石力学与工程学报，2009，28(S2).

[4]马立强，汪理全，张东升，等.近距离煤层群上行可行性研究[J].湖南科技大学学报，2007，22(4)：1-4.

[5]冯国瑞，任亚峰，王鲜霞，等.白家庄煤矿垮落法残采区上行开采相似模拟实验研究[J].煤炭学报，2011，36(4)：544-550.

[6]白文连，史向明.近距离薄煤层上行开采分析与实践[J].能源技术与管理，2009(4).

[7]李光辉，张国辉.受水害威胁煤层上行开采技术研究[J].中州煤炭，2013(8).

[8]刘立国，翟智强，何 杰.基于关键层的采空区上方近距离煤层安全开采[J].煤炭科技，2007(2).

[9]刘增平.房柱式采空区上部煤层上行开采可行性分析[J].煤矿开采，2012，12(2)：38-40.

[责任编辑：邹正立]

TechnologyofClose-distanceCoal-seamUpwardMiningunderComplexGeologicalCondition

ZHANG Jing-chao,XU Wen-feng

(Xinwen Mining Group Yini Energy Corporation,Yining 835000,China)

The minimum distance of A6 and A6-top coalseam in Yongxin Colliery is 19.8m.Applying ratio analysis,“3-zone” discriminance method,mathematical statistics and surrounding rock equilibrium method to analyzing feasibility of upward mining,it was obtained that A6-top coalseam lies within quasi-equilibrium zone and middle fissure zone.Surrounding rock movement and stress variation after mining A6 coalseam was simulated with UDEC software and verified theoretical analysis result.It was proved that upward mining A6 coalseam was feasible.

complex condition; close-distance coalseam; upward mining; numerical simulation

2014-04-03

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2014.05.010

张京超(1968-)，男，山东莱芜人，工程师，主要从事煤炭开采、通防技术研究。

张京超，续文峰.复杂地质条件近距离煤层上行开采技术研究与实践[J].煤矿开采，2014，19(5)：33-35，25.

TD823.8

A

1006-6225(2014)05-0033-03