近距离煤层群下伏厚煤层综放 开采下上行开采技术*

王红胜，李森林，李树刚，双海清，李　斌，李　磊

(1．西安科技大学 能源学院，陕西 西安 710054；2．西安科技大学 安全科学与工程学院，陕西 西安 710054；3．教育部 西部矿井开采及灾害防治重点实验室，陕西 西安 710054)



近距离煤层群下伏厚煤层综放开采下上行开采技术*

王红胜1，3，李森林1，李树刚2，3，双海清2，李斌1，李磊1，3

(1．西安科技大学 能源学院，陕西 西安 710054；2．西安科技大学 安全科学与工程学院，陕西 西安 710054；3．教育部 西部矿井开采及灾害防治重点实验室，陕西 西安 710054)

为提高煤炭资源回采率、延长矿井服务年限和实现厚薄煤层间合理配采，开展了近距离煤层群下伏厚煤层综放开采下上行开采可行性研究。基于燕家河煤矿近距离煤层群5-1，5-2及8煤地质条件，采用理论分析、物理模拟、数值模拟和现场实测等研究方法分析了8煤综放开采采场覆岩运移规律及破断特征，掌握了上覆5-1，5-2煤层与岩层的破坏特征及变形规律，确定了5-1，5-2煤层上行开采可行性。研究表明，8煤覆岩冒落带高度为16～26.7 m.5-1煤位于8煤裂隙带下层位，处于8煤冒落带之上，5-1煤及其顶底板虽有明显弯曲变形下沉，但无台阶错动，整体连续性好。5-2煤位于8煤裂隙带与冒落带过渡层位，接近8煤冒落带；巷探表明了5-2煤处于整体下沉，顶底板无台阶错动，整体连续性较好。除内错采空区0～25 m的5-1，5-2煤层破坏较严重外，其余范围的5-1，5-2煤层结构连续完整，均可上行开采。

近距离；煤层群；厚煤层；综放开采；上行开采；台阶错动；巷探

0　引　言

燕家河煤矿建井初期为快速达产，优先开采了8煤，经过了近15 a的高强度、大规模开采，8煤层的一、二采区基本回采完毕，只剩余三、四采区未开采。如果继续只开采8煤层，后期矿井产量会大幅度下滑，这对矿井后期发展极为不利。为实现矿井持续稳定开采[1]，提高煤炭资源回采率和延长矿井服务年限，必须实现厚薄煤层间合理配采，但首先要解决好5-1，5-2煤上行开采难题。目前，8煤采用综放开采，采场覆岩运移范围大，尤其是覆岩冒落带高度大，且5-1，5-2煤层处于8煤冒落带与裂隙带过渡层位，这为确定5-1，5-2煤上行开采难度增大。众多学者对上行开采进行了深入研究与工程实践[2-5]，其中文献[6]阐释了近距煤层上行开采机理并分析了可行性判别准则；文献[7]提出基于力学分析的长壁采空区上方的煤层上行开采安全层间距；文献[8-9]分析了影响近距离煤层群上行开采因素，提出可行性判别指标模型；文献[10]提出了极近距离煤层群上行开采机制。但国内外关于近距离煤层群下覆厚煤层综放开采条件下开展上行开采方面的研究鲜有报道，针对燕家河煤矿近距离煤层群5-1，5-2及8煤地质条件，采用理论分析、数值模拟及现场实测等手段，开展了8煤综放开采条件下5-1，5-2煤上行开采研究，为近距离煤层群厚煤层综放开采条件下上行开采提供理论指导与技术支持。

1　采矿地质条件

可采煤层共3层，为中侏罗统延安组，自上而下分别为5-1，5-2煤和8煤。5-1煤厚为0.25～3 m，平均为1.38 m，大部分可采。5-2煤厚为0.15～2.75 m，平均为1.07 m，局部可采。8煤厚为0.37～7.64 m，平均为4.78 m，大部可采。5-1，5-2煤层间距为0.55～7.63 m，平均为3.03 m；5-2，8煤层间距为10.31～49.64 m，平均为30.62 m.岩层综合柱状如图1所示。

2　上行开采理论分析

采用比值判别法、“三带”判别法、围岩平衡法、数理统计分析法、波兰上行开采判别法、前苏联上行开采判别法等6种判别方法[11-12]对5-1，5-2，8煤相互重叠区域的17个钻孔进行上行开采判别，结果表明5-1煤处于8煤冒落带之上、裂隙带下层位，认为5-1煤可以上行开采；5-2煤位于8煤冒落带与裂隙带过渡层位，煤层破坏较严重，部分钻孔区域不满足上行开采。判别分析过程详见文献[13]。

3　采场覆岩破断特征物理模拟分析

3.1模型设计

参照X4钻孔柱状图，采用规格为长×高×宽=5.0 m×3.0 m×0.3 m的平面应力模型试验台模拟工作面开挖，模型铺设规格为5.0 m×1.5 m×0.3 m.根据相似三定理[13]，确定模型几何相似比α1=100，容重相似比αγ=1.67，时间相似比αt=10，强度相似比为αR=167.模型铺设39层，总厚度为1.5 m，上覆354 m覆岩以物理配重实现均匀加载。8煤采高为7 cm，距模型右侧边界80 cm处开切眼，开挖步距为10 cm，共计开挖34次，开挖总长度为340 cm.

图1　综合柱状图Fig.1　Generalized geological section

3.2模拟结果及分析

工作面推进20 m时，由于上覆岩层压力，直接顶开始出现离层，并随着顶板暴露面积增大而迅速发育；工作面推进40 m时，直接顶出现明显离层，并发生大面积垮落；工作面推进60 m时，基本顶发生断裂，工作面出现初次来压，来压步距为60 m；随着工作面继续推进，基本顶发生周期性破断。工作面推进190 m时，顶板充分垮落；随着工作面继续推进，直至340 m，冒落带高度不在增加，采空区后方覆岩开始进入压实阶段，裂隙压实逐渐闭合。工作面开挖过程如图2所示。

图2　上覆煤岩层变形与破坏特征Fig.2　Deformation and failure characteristics of the overlying coal and rock seams(a)开挖40 m　(b)开挖60 m　(c)开挖80 m　(d)开挖100 m(e)开挖140 m　(f)开挖180 m　(g)开挖190 m　(h)开挖340 m

由图2可知，工作面开挖围岩稳定后，采场覆岩冒落带高度为15～25 m，裂隙带高度为35～60 m。5-1，5-2煤位于裂隙带下部，工作面中部裂隙及破断岩层随工作面推进逐渐挤压闭合，5-1，5-2煤层结构连续性保持完好。除切眼、停采线上部局部区域以外，5-1，5-2煤层未出现台阶错动。

4　采场覆岩运移规律数值模拟分析

4.1模型建立

采用非线性数值计算软件UDEC2D4.0参照X4钻孔柱状图建立模型。模型尺寸为600 m×260 m，左、右及下边界固定，上覆岩层表土层以均布载荷形式加在模型上边界，节理特性考虑采动影响，围岩本构关系采用Mohr-Coulumb模型。分别建立倾向和走向模型，模拟工作面开挖。

4.2倾向模拟结果及分析

8煤工作面倾向长300 m，上端头位于模型中X=150 m处，下端头位于模型中X=450 m处，模型采用一次开挖。分别提取8煤开采后5-1煤随覆岩移动的垂直位移、水平位移、倾斜以及应力变化曲线。

4.2.15-1煤垂直移动规律

5-1煤垂直位移如图3所示。5-1煤最大垂直位移发生在工作面中部，最大值达1.32 m.5-1煤整体弯曲下沉，完整性未受到严重破坏，煤层赋存稳定；在工作面上下端头附近，因受煤柱支撑作用，导致岩层出现离层，裂隙发育丰富，5-1煤层顶底板弯曲变形较大，垂直位移偏小；所以5-1煤垂直位移呈现中间大，两头小的分布特征。

图3　5-1煤层垂直位移Fig.3　Vertical displacement of the No.5-1 coal seam

4.2.25-1煤水平移动规律

5-1煤水平位移如图4所示。工作面中部水平位移趋近于零，上下端头附近5-1煤水平位移变化较大，最大达到0.24 m.因工作面中部大范围内5-1煤未发生水平移动，而在上下端头因受煤柱支撑，5-1煤随覆岩弯曲，产生拉伸变形，故在上下端头水平位移明显。

图4　5-1煤层水平位移Fig.4　Lateral displacement of the No.5-1 coal seam

4.2.35-1煤应力变化规律

图5　煤层应力变化规律Fig.5　Stress variation law of the coal seams

煤层应力变化规律如图5所示。8煤回采后，倾向上工作面直接顶及上覆岩层内应力呈分区特征，应力分布可划为4个区：原岩应力区(0～100 m，500～600 m)，煤层应力未受影响；支承应力区(100～150 m，450～450 m)，上覆岩层形成压力拱，在此区域为拱的一个支撑点，应力升高；应力释放区(150～250 m，350～450 m)，由于端头附近岩层弯曲，裂隙发育并起到卸压作用，此处应力降低；应力恢复增加区(250～350 m)，随基本顶跨落压实，将再次支撑上覆岩层重量，从而使应力升高。经测算8煤直接顶中最大支承应力为27.89 MPa，在超前煤壁5～15 m范围内，最大应力集中系数达2.19.随着覆岩垮落稳定，工作面中间位置应力恢复。而5-1煤层中最大支承应力24.34 MPa，超前煤壁25 m，最大应力集中系数为1.82.

4.2.45-1煤层倾斜变化规律

5-1煤层倾斜变化规律如图6所示。在工作面250～350 m范围内5-1煤斜率值大多集中在X轴附近，其值变化不大，5-1煤结构相对平稳，无较大弯曲变形，煤层连续性较好。但在工作面上下端头处，因煤柱对5-1煤支撑作用，在煤柱外侧采空区附近25 m范围内，5-1煤弯曲较严重，倾斜变化剧烈，最大倾斜达18.97 mm/m，对5-1煤层上行开采影响大。

图6　倾斜曲线Fig.6　Inclination curve

倾向模拟结果表明，5-1煤层处于8煤冒落带之上、裂隙带下层位稳定岩层中，除工作面上下端头外，工作面中部直接顶充分垮落压实，基本顶中裂隙重新闭合，5-1煤层处于相对稳定状态。除8煤层上下端头对应的局部区域移动变形、应力变化较大外，5-1煤垂直和水平移动变形、应力及倾斜不大，煤层整体性完好，无台阶错动。因此，5-1煤可上行开采。

4.3工作面走向模拟结果及分析

不同推进距离5-1煤垂直位移变化规律如图7所示。随着工作面推进，5-1煤垂直位移不断增加；当工作面推进250 m时，移动盆地中部已出现平底，盆地总体呈盘形，此时5-1煤已达到最大垂直位移，后方直接顶充分垮落，并逐渐被压实，同时基本顶中裂隙重新闭合。在切眼和停采线煤壁附近25 m范围内，5-1煤受煤柱支撑作用，垂直位移未达到稳定状态，但移动盆地中部5-1煤结构相对稳定。

走向模拟结果表明，8煤层开采后沿工作面走向的冒落带高度约为25 m，为采高3倍左右。5-1煤处于冒落带之上，除8煤层开切眼和停采线对应的局部区域外，5-1煤层保持稳定，整体破坏程度不大，煤层表现较连续，未出现明显台阶错动，故5-1煤可上行开采。

图7　不同推进距离5-1煤垂直位移变化规律Fig.7　Vertical displacement change law of the No.5-1coal seam with different advance distance

5　覆岩冒落带高度现场探测分析

5.1探测地点

在8103轨道顺槽内，距离8煤轨道下山约700 m处，向8102采空区上方布置5个钻孔，钻孔呈扇形分布。采用YTJ20型岩层钻孔窥视仪探测8102工作面覆岩冒落情况。

5.2钻孔参数

钻孔深度以预测冒落带高度为准，孔口间距以便于钻孔施工和钻孔维护为宜，一般为0.2～0.5 m.钻孔布置参数如图8所示。

图8　钻孔布置参数Fig.8　Layout parameters of the drillings

5.3探测结果及分析

通过对比分析5个钻孔录像对比分析，8102工作面覆岩冒落带高度为16～26.7 m，与实验结果15～25 m基本一致。5-1煤结构完好，待8煤采空区上覆岩层稳定后，即可上行开采；5-2煤靠近冒落带，存在明显裂隙。鉴于5-2煤底板部分区域接近8煤冒落带顶部，破坏相对严重，因此，5-2煤可采性有待进一步确定。

6　5-2煤顶底板岩层运移规律巷探分析

为进一步确定5-2煤可采性，提出向5-2煤层内掘一条探巷，实测5-2煤层连续性和整体性，以及观测其顶、底板破坏程度，最终确定5-2煤层是否可上行开采。

6.1巷探方案

探巷空间位置关系如图9所示。在5211工作面胶带顺槽内533.6 m处，即PD9～PD10测点之间，沿煤层顶板掘探巷。沿倾向按359°58′方位角掘探巷T1～T4段，长度为60 m，与5211皮带顺槽成70°夹角；5-2煤沿走向按69°58′方位角掘走向巷道T4～T5段，并平行于5211皮带顺槽，设计掘进长度为60 m.过T1点作Ⅰ—Ⅰ剖面，得探巷空间位置关系，如图9(b)所示。5211皮带顺槽距8212采空区边界20 m，并内错8211皮带顺槽8 m布置。5-2煤层底板距8煤层顶板30 m.

图9　探巷空间位置关系Fig.9　Exploration entry’s spatial position(a)平面图　(b)Ⅰ-Ⅰ剖面

6.2巷探结果及分析

6.2.1倾向探测结果及分析

图10　5-2煤层沿倾向变形规律Fig.10　Inclination deformation law of the No.5-2 coal seam

探巷沿5-2煤倾向掘进60.2 m，在探巷T2-1～T3段内长度约13.49 m范围内，5-2煤层变形大。当探巷掘进到T2-1测点，煤层出现变形；探巷T2-1～T2-2段，煤层倾角约为6°；到探巷T2-2～T2-3段，煤层倾角已经为15°，此时在T2-2测点附近出现大量“V”型张开裂隙，煤层破坏较严重；而探巷T2-3～T2-4段内时，煤层倾角达到最大值20°，煤层弯曲最为严重。除T2-1～T3范围外，探巷内5-2煤相对平稳，其煤层倾角多集中在2～3°，5-2煤层沿倾向整体下沉量为2.24 m，煤层整体性破坏不大，利于5-2煤上行开采。5-2煤层沿倾向倾角变化及整体下沉变形规律如图10所示。

探巷与8煤采空区位置关系如图11所示。5-2煤变形区域始末边界距8212采空区边界11.32～21.04 m，T3测点距离8212采空区边界为23.74 m.因此，8煤采空区一侧为实体煤层和8煤区段煤柱为宽煤柱(>20 m)时，开采采空区上方5-2煤时，则5-2煤顺槽应内错8煤采空区至少25 m.

图11　探巷与8煤采空区位置关系Fig.11　Relationship between the exploration entry and the goaf of the No.8 coal seam

6.2.2走向探测结果分析

探巷掘到T4测点后，沿煤层走向继续掘进至T5测点，T4～T5测点距离为46.2 m.T4～T5段掘进过程中，未发现顶底板有明显台阶下沉现象，但在顶底板局部地方裂隙发育，且裂隙扩展方向大致垂直探巷掘进方向。在距离T4测点10～24 m之间，顶底板出现波浪式起伏变化，波峰最大值达130 mm，波谷最大值达290 mm，但煤层连续性完好，没有出现台阶下沉。探巷T4～T5两侧点垂直落差为1.135 m，水平距离为46.2 m，探巷倾角为1.4°，局部为2°～3°，与煤层走向倾角(2°～3°)基本一致，5-2煤层处于整体下沉，煤层连续性完好。因此，走向探测结果表明5-2煤可上行开采。

7　结　论

1)5-1煤处于8煤冒落带之上、裂隙带下层位，5-1煤可上行开采；5-2煤部分区域接近冒落带，处于8煤冒落带与裂隙带过渡层位，煤层破坏较严重；

2)采场覆岩冒落带高度为15～25 m，裂隙带高度为35～60 m.5-1煤层处于8煤冒落带之上、裂隙带下层位稳定岩层中，除工作面上下端头外，工作面中部直接顶充分垮落压实，基本顶中裂隙重新闭合，5-1煤层处于相对稳定状态，可上行开采。除8煤层工作面上下端头对应局部区域移动变形、应力变化较大外，5-1煤垂直和水平移动变形、应力及倾斜不大，煤层整体性完好，无台阶错动。除8煤层开切眼和停采线对应的局部区域外，5-1煤层保持稳定，整体破坏程度不大，煤层表现较连续，未出现明显台阶错动；

3)钻孔探测表明8煤冒落带高度约为16～26.7 m，与实验分析结果基本一致；5-1煤结构完整，可上行开采；5-2煤靠近冒落带，不利于上行开采；

4)5-2煤层顶底板未出现台阶下沉，5-2煤层处于整体下沉，煤层连续性完好，可上行开采；8煤采空区一侧为实体煤层或8煤区段煤柱为宽煤柱(>20 m)时，布置5-2煤工作面时，5-2煤顺槽应内错8煤采空区至少25 m；

5)综合以上分析，8煤采用综放开采后，上覆5-1，5-2煤层处于整体下沉，煤层结构连续性完好；除切眼、停采线及工作面上下端头上部局部区域以外，5-1，5-2煤层未出现台阶错动，均可上行开采。

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Ascending mining technology on condition of the underlying thick coal seam of the closed distance seam group with fully mechanized caving

WANG Hong-sheng1，3，LI Sen-lin1，LI Shu-gang2，3，SHUANG Hai-qing2，LI Bin1，LI Lei1，3

(1.CollegeofEnergyScienceandEngineering,Xi’anUniversityofScienceandTechnology,Xi’an710054,China；2.CollegeofSafetyScienceandEngineering，Xi’anUniversityofScienceandTechnology，Xi’an710054，China；3.KeyLaboratoryofWesternMineExplorationandHazardPrevention，MinistryofEducation，Xi’an710054，China)

To improve the coal resources recovery rate，extend the mine service life and realize the reasonable mining between thick coal seam and thin one，the ascending mining feasibility study was carried out on conditions of the underlying thick coal seam of the closed distance seam group with fully mechanized caving.Based on the geological conditions of the close distance coal seam group in Yanjiahe coalmine，the overlying strata migration regularity and fracture characteristics of the No.8 coal seam was analyzed by methods of the theoretical analysis，physical simulation，numerical simulation，and field measurement.The failure characteristics and deformation regularity of the No.5-1and No.5-2coal seam and rock strata were mastered，and the ascending mining feasibility of the No.5-1and No.5-2coal seam was determined.The result shows that the height of caving zone of No.8 coal seam is 16 to 26.7 meters.The No.5-1coal seam，which locates in the lower position of the fracture zone of the No.8 coal seam，is on the top of caving zone of the No.8 coal seam.The No.5-1coal seam and its roof and floor have obvious bending deformation with no steps dislocation，and the continuity of the No.5-1seam is good as a whole.The No.5-2coal seam，which locates in the transition position between the No.8 coal seam’s fracture zone and its caving zone，is close to the No.8 coal seam’s caving zone.Exploration entry shows that the No.5-2coal seam sank as a whole，and its roof and floor have no step diastrophism，and its integral continuity is relatively good.The No.5-1，5-2coal seam is feasible for mining，except for the area interior goaf 0 to 25 m.

close distance；coal seam group；thick coal seam；full-mechanized caving mining；ascending mining；step diastrophism；exploration entry

10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2016.0503

1672-9315(2016)05-0621-07

2016-03-09责任编辑：刘洁

国家重点基础研究计划(973计划)资助项目(2015CB251600)

王红胜(1976-), 男,安徽池州人,博士,副教授,E-mail:cumtwhs@xust.edu.cn

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