急倾斜煤层上行开采可行性研究

何 攀，康 虹

四川广旺能源发展（集团）有限责任公司赵家坝煤矿

急倾斜煤层上行开采可行性研究

何 攀，康 虹

四川广旺能源发展（集团）有限责任公司赵家坝煤矿

针对赵家坝煤矿9#煤层上行开采对7#煤层影响等问题，通过现场资料收集，理论分析结合实验室数值分析及相似模拟，并结合现场探测，确定覆岩的采动影响范围、岩层移动角、“三带”的划分、7#煤层破坏程度等；通过数值模拟9#煤层覆岩的变形破坏形态，模拟7#煤层走向和倾斜的下沉曲线，模拟采动应力场的分布规律，确定7#层及其底板的破坏程度，验证上行开采安全性及可行性。

急倾斜；上行开采；上覆岩层；采动应力场

引言

我国煤矿在开采煤层群时，一般采用下行开采。上行开采是一种特殊的开采方法，其优点是：准备时间短，出煤快；当煤层顶板含水时，对上部煤（岩）层可起到疏导水的作用；有利于排除工作面内的积水等优点。在煤炭市场低迷时期，煤炭企业大面积亏损，资金紧缺，投入不足，若先采下部煤质好、生产能力大的主采煤层，可减少当前企业亏损。

近年来，随着矿井开采深度的增加，深井高应力难采煤层下行开采中存在顶板管理困难，推进速度慢，影响下部煤层的开采和接替；回采巷道变形破坏严重，支护难度大，维护困难；冲击地压危险性大，煤与瓦斯突出。而上行开采在解决上述问题上具有独特的作用。因此研究上行开采技术，并使得其取得良好的技术经济效果对拓宽开采工艺的适用范围、发挥其开采潜力，提高矿井机械化开采水平、经济效益和煤炭采出率有重要的意义。

1 地质情况概况

9#煤层属于较稳定煤层，采区内该煤层厚0.68-1.30m，平均煤厚1.05m，夹矸3-6层，煤层硬度系数1-2，伪顶为灰色泥岩，直接顶为灰色泥质粉砂岩夹碳质泥岩，直接底为细砂岩夹泥岩和碳质泥岩，煤层倾角47°～55°之间，平均倾角为50°，从104采区降标高石门及104采区下部车场石门揭露情况来看，采区内由+340m水平向+115m水平延伸煤层倾角呈逐渐减小的趋势。

7#煤层属于较稳定煤层，采区内该煤层厚度0.44～0.64m，平均煤厚0.53m，夹矸1～6层，伪顶为灰黑色泥岩及碳质泥岩夹煤线，直接顶为杂色砾岩，直接底为灰色泥质粉砂岩夹碳质泥岩，煤层硬度系数1～2，煤层倾角与9#煤层一致。7#煤层与9#煤层之间的间距为22.8m。

2 上行开采覆岩破坏规律及可行性分析

2.1 覆岩破坏与围岩平衡

在原始应力区和煤壁支撑区，由于受工作面前方煤壁和上方岩层的支撑作用，上部岩层水平拉伸变形，下部岩层压缩变形剧增；非平衡带岩层主要是直接顶岩层，它在采空区冒落的矸石，不能传递有规律的水平力，位于这带范围内的煤（岩）层将遭受严重破坏；准平衡带岩层主要是指裂隙带的下位岩层，形成“煤壁——支架——矸石”为支撑体系的岩层结构，断裂岩块相互铰接，始终能向煤壁前方和采空区矸石传递水平力，呈明显的周期性运动，在开采过程中断裂岩块有台阶式的错动，这带范围内的煤（岩）层会受到明显破坏，但采空区矸石压实后台阶下沉又可恢复并形成平衡岩层结构；平衡带岩层是指裂隙带中上位及以上岩层，它形成“煤壁及其上部岩体——矸石”为支撑体系的平衡岩层结构，周期性运动不明显，岩层自身可形成平衡结构。平衡岩层结构能阻止上覆岩（煤）层纵向呈现台阶式错动，因此，当上部煤层位于距下部煤层最近的平衡岩层之上时，可采用上行开采。

2.2 上行开采可行性分析

2.2.1 比值判别法

9#煤层工作面位于7#煤层工作面下方，其对7#煤层工作面的采动影响系数K为15.2。为保障上行开采的安全性及可行性，此处选取煤层最大开采高度，开采高度为1.5m。两层煤之间岩性基本上为砂质泥岩，是中硬岩层，K>7.5就可上行开采，可知上行开采可行。

2.2.2 “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。7#煤层与9#煤层间距为22.8m，因此7#煤层处于9#煤层开采后形成的裂缝带上部附近，7#煤层受破坏程度较小，出现一些微小不联通的裂隙。采取一定安全措施之后可正常进行上行开采。

2.2.3 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。上煤层的开采应在下煤层开采引起的岩层运动稳定之后进行；上行开采必要的层间距H可根据与9#煤层采高、岩石碎胀系数和平衡岩层厚度的关系得出为9.84m左右。7#煤层与9#煤层间距22.8m，位于平衡岩层上方，9#煤层开采后，7#煤层自身可形成平衡岩层结构，层间不发生台阶错动，上行开采可正常进行。

2.2.4 时间间隔判定

根据《三下采煤规程》：可根据最大下沉点的下沉与时间关系曲线和下沉速度曲线求得。无实测资料时，地表移动的延续时间T可根据下式计算：T=2.5H0（d），H0为工作面平均采深，此处为7#和9#煤层的层间距22.8m，则上下煤层的开采间隔时间不小于T=2月。

3 数值分析论证可行性

通过分析3DEC数值模拟分析得出，该模型能够较为全面地反映出工作面开采后采场的矿压规律，由于大倾角煤层走向、倾向方向上表现出与近水平缓倾斜煤层较大不同的矿压规律。

4 结论

通过研究9#煤层工作面开采上覆岩层破坏、离层和垂直压力、位移情况，得到7#煤层变形破坏情况，得出以下结论：9#煤层开采后，综合确定取垮落带高度为4.2m；综合分析三种方法取裂隙带高度19.4m；9#煤层开采后，7#煤层位于弯曲下沉带内，7#煤层有少量的与顶底板不贯通的采动裂隙，7#煤层沿走向和倾向的下沉量曲线都为连续的平滑曲线，7#煤层没有产生台阶下沉等突变现象，上行开采可行；7#煤层在倾斜方向的采动影响长度100m，综合三种方法考虑取岩层移动角650；上山移动角990，走向移动角6800；将巷道布置在应力集中边界角以内，处于应力降低区，但煤（岩）体已产生不同程度的破坏，将巷道布置在应力集中边界角以外，处于应力集中区，煤（岩）体破坏程度小但应力高；综合三种方法考虑下山充分采动角取200；上山充分采动角取740；充分采动角取400。按充分采动角划定的7#煤层充分采动区倾斜长度为30.39m，该区域位于9#煤层采空区的中上部，该区域内的7#煤层恢复原始产状，最大下沉量0.43m。将7#煤层的回采巷道和回采工作面布置在该区域内则巷道维护和工作面回采受到的影响最小，为了扩大该区域的倾斜宽度，应在9#煤层开采两个区段后再开采7#煤层，且9#煤层不得留设区段煤柱。

何攀（1973-），男，四川南江人，大学本科学历，毕业于西安科技大学，采矿高级工程师，现任赵家坝煤矿生产副矿长。