近距离煤层上行开采可行性研究

王传华，吴绍民，王兴水

(新矿集团 秦华煤矿，新疆 库尔勒 841011)

近距离煤层上行开采可行性研究

王传华，吴绍民，王兴水

(新矿集团 秦华煤矿，新疆 库尔勒 841011)

秦华煤矿10-1煤层顶板裂隙发育、抗压强度不大、易于破碎，且与上覆9-3煤层最小层间距17.6m，通过采用比值判别法、“三带”判别法、数理统计分析法及UDEC计算机数值模拟研究，结合我国上行开采的成功经验，分析了10-1煤层采空区边界的应力分布、覆岩变形破坏特征，分析总结了8-3，9-3煤层工作面回采巷道的合理布置，确定了上行开采的合理时空关系。

近距离煤层；上行开采；顶板裂隙发育

Feasibility Study of Ascending Mining of Coal Seam with Close Range Roof Fractures Development

秦华煤矿可采煤层5层，分别是8-3，9-3，10-1，10-2和10-5煤层，其中9-3与10-1煤层最小层间距17.6m。矿井开采过程中先行揭露了10-1煤层，受矿井采掘工程进度安排的影响，首先在10-1煤层大部和9-3煤层局部进行了采掘工作，随着矿井生产接续进入正常，后续将会在10-1煤层已采动区域布置9-3，8-3煤层采掘工程。为保证安全生产，结合我国长期以来对上行开采技术的研究成果[1-4]，对秦华煤矿8-3，9-3煤层上行开采进行了可行性研究，为上行开采提供了理论依据。

1 矿井地质构造

矿井所处地质条件为小型山间盆地陆相沉积，聚煤作用发生在早侏罗世中、晚期和中侏罗世早期，受华力西运动、燕山运动及喜马拉雅运动影响，使地层发生褶皱断裂，造成了矿井煤层顶板层理、节理和裂隙发育，煤层顶板抗压强度不大，易于破碎的现状。矿井可采煤层5层，分别是8-3，9-3，10-1，10-2和10-3煤层，其中8-3与9-3煤层平均层间距35.0m，9-3与10-1煤层平均层间距21.0m。秦华煤矿可采煤层情况如表1所示。

表1 秦华煤矿可采煤层情况一览

2 10-1煤层采动影响计算模拟分析

通过对抗剪、抗拉、抗压、饱和抗压及坚固性系数、膨胀率等矿井顶底板岩石物理力学性质进行试验，得到结论，煤层顶底板抗压强度不大，易于破碎，煤层底板遇水膨胀，易发生底鼓。

2.1 数值工程地质模型建立

对于10104西工作面正常推采过程进行简化分析，计算模型的设计几何尺寸为：350m(长)×150m(高)。模型边界条件界定：左、右及上下边界即x，y方向的速度和位移矢量设计为零；界定上边界为自由边界，上覆岩层以外在荷载的形式施加于上部边界。模型如图1所示。

图1 数值模型

2.2 10-1煤层开采对8-3，9-3煤层顶底影响

通过模型分析，当工作面推进140m时，裂隙离层带发育至9-3煤层顶板20m处(距整个模型下部边界50m处)，裂缝带达到最大高度，距10-1煤层顶板约41.0m，如图2所示。

图2 裂缝带导通高度示意

分析10-1煤层开采后，8-3，9-3煤层顶底板的塑性区分布等，明确其对8-3，9-3煤层开采时的影响。10-1煤层开采后，覆岩破坏区分布如图3所示。

图3 10-1与8-3，9-3层间岩层覆岩破坏情况

分析可知，10-1煤层开采后，8-3，9-3煤层在靠近10-1煤层煤壁附近出现大量的拉伸破坏区，降低了煤体的整体性及承载能力。下位煤层开采后，上位煤层及其顶底板的结构完整且不发生台阶错动是上行开采的前提[5]，因此8-3，9-3煤层工作面的开切眼及停采线位置应避免与10-1煤层工作面相应位置重叠布置，布置位置需要向采空区方向错动。

10-1煤层开采垮落带高度约为8m，最大导水裂缝带约为41m，导水裂缝带高度波及到9-3煤层顶板以上约20m，导通至9-3煤层基本顶。因此，9-3煤层回采期间要加强工作面的顶板控制，避免采场出现直接顶的漏冒，并注意对顶板运动进行监测、分析和预报。

2.3 10-1煤层采动应力分布与上行开采作用效应

上行开采程序条件下，下位10-1煤层开采的采动应力分布及其对10-1煤层的采动作用效应，如图4所示。

图4 10-1煤层采动影响分布

由图4(a)看出，10-1煤层开采后，由于上覆岩层呈现拱形运动，因此在拱形覆岩运动区内形成了拱形的应力降低区，在10-1煤层遗留煤壁向上部岩层发展形成了应力升高区，应力升高范围在8-3，9-3煤层分布范围如图4(b)所示，最大垂直应力为15.14MPa，约为原岩应力的3.05倍，8-3，9-3煤层回采巷道应避免布置在这些应力集中区域。9-3煤层受10-1煤层采动影响，其直接顶与基本顶之间出现离层，8-3，9-3煤层则在10-1采空区对应区域产生卸载，在10-1煤层开采引起覆岩运动稳定之后，在应力卸载区域布置8-3，9-3煤层回采巷道对开采及巷道维护均较为有利。

数值分析表明10-1煤层开采引起8-3，9-3煤层在10-1煤层煤壁处的支承压力集中。为实现上行安全开采，应将8-3，9-3煤层的区段巷道布置在远离10-1煤层煤壁的采空区内。

3 8-3，9-3煤层上行开采可行性分析

根据秦华煤矿10-1煤层上覆的8-3，9-3煤层的地质条件及煤炭资源赋存的空间关系，着重分析了10-1煤层开采后对上部8-3，9-3煤层的结构性影响。

3.1 比值判别法

综合物理模拟、井下探测研究所揭示出的覆岩裂隙发育结构平衡分带规律，按公式h(层间距)/M(煤层采高)=k(开采区间划分)划分上行开采的可行性区间，对上行开采的可行程度及效果做出预测，确定是否可以进行上行开采活动，上行开采可行性区间划分见表2。

表2 上行开采可行性的区间划分[6]

10-1煤层按实际采高2.0m作为采厚，最小层间距17.60m计算，则：

故按照比值分析法的评判标准，9-3煤层与10-1煤层的区间处于围岩准平衡带负载层或平衡带内及中断裂亚带内，属于准上行开采区间，施工制定合理的技术措施，可以进行上行开采。

10-1与8-3煤层之间的层间距40.56～82.98m，平均层间距56m。按实际采高2.0m作为采厚，最小层间距40.56m计算，则：

故按照比值分析法的评判标准，8-3煤层位于10-1煤层覆岩平衡带以上，可正常进行上行开采。

3.2 “三带”判别法

钻孔和井巷揭露资料表明，10-1与8-3，9-3煤层间岩性一般为粉砂岩、细砂岩和中砂岩，属松软-中硬岩层。根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》，煤层开采条件属于缓倾斜煤层长壁垮落法开采，按照公式[7-8]计算10-1煤层全部垮落法开采后的垮落带、导水裂缝带高度见表3。

表3 10-1煤层开采后的垮落带和裂缝带高度计算

由表3分析可知，10-1煤层开采后裂缝带高度31m，大于10-1与9-3煤层最大层间距29.72m，导致9-3煤层的内部结构发生中等程度破坏，对8-3煤层基本没有影响，10-1煤层开采后，制定一定的技术及安全措施可以对9-3煤层进行开采。

3.3 数理统计分析法

煤炭科学研究总院根据我国煤矿上行开采的部分实例，分析回归出求算下部一个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[9]

式中，M为下煤层采高，m；MS为上煤层厚度，m。

矿井10-1煤层实际采高2.0m，9-3煤层厚度2.0m，两煤层最小层间距为17.60m，按照上述经验公式计算：H=1.14×2.02+4.14+2.0=10.7(m)，结果小于煤层最小层间距17.60m。

采用数理统计分析法，10-1煤层和9-3煤层层间距满足上行开采判别准则。

4 8-3，9-3煤层回采工作面合理布置研究

4.1 采动影响的空间关系

图5反映了反程序开采后采空区上覆岩层移动盆地的特点[10]。

由图5可知，下部边界影响区斜长lx为：

上部边界影响区斜长ls为：

图5 采空区上覆岩层移动盆地

走向边界影响区斜长lz=lψ3+lδ0，即：

式中，H为上下煤层间距，m；α为煤层倾角，3～21°，取平均12°；β0,γ0,δ0分别为下部边界角、上部边界角、走向边界角；ψ1,ψ2,ψ3分别为下部充分采动角、上部充分采动角、走向充分采动角。

根据矿井8-3，9-3，10-1煤层所处区间的岩性，取γ0=60°，β0=δ0-0.7α，δ0=60°，ψ1=ψ3-0.5α，ψ2=ψ3+0.5α，ψ3=60°，则10-1煤层的开采边界影响区计算结果见表4。

表4 10-1煤层开采的边界影响范围

备注：层间距按平均层间距计算

由表4可以看出，由于10-1与9-3煤层层间距较小，10-1煤层开采后其边界影响对于9-3煤层开采仍然较强，由于上部边界影响区范围内的煤层及其围岩在覆岩移动盆地形成过程中会发生一定程度破坏，因此，8-3，9-3煤层内布置的区段巷道应尽量布置在上部煤层边界影响区范围之外，降低巷道维护的难度。

4.2 8-3，9-3煤层与10-1煤层开采的时间关系

上行开采时，上下煤层回采应有一定的间隔时间，否则，即使有足够的层间距，在回采上部煤层时，仍然会出现压力大等困难情况。根据岩移理论，下位煤层开采后，上位煤层的稳定时间取决于层间距、层间岩性以及顶板管理方法。对于全部垮落法开采，需根据10-1煤层距9-3，8-3煤层的距离，按经验公式1估算10-1煤层的移动延续时间T。

经验公式1：T=2.5H

式中，T为移动延续时间，d；H为最大层间距，m。

由此可知，10-1煤层开采后的9-3煤层移动延续时间分别为：

T10-9=2.5×29.72=75(d)

10-1煤层开采后的8-3煤层移动延续时间分别为：

T10-8=2.5×82.98=207(d)

按照经验公式2，上下煤层的开采时间间隔为：

经验公式2：T=0.08k+3(月)

式中，k为采动影响倍数。

由此可见，时间间隔应至少在4个月以上。

为安全起见，两者取其大，10-1煤层开采后9-3开采时间间隔应不小于4个月，8-3煤层开采间隔时间应不小于7个月。

6 结 论

(1)9-3煤层位于下部10-1煤层开采的围岩准平衡带负载层及中断裂亚带内，为准上行开采区间，制定合理的技术措施，可以进行上行开采。8-3煤层位于10-1煤层覆岩平衡带以上，可正常进行上行开采。

(2)9-3煤层应至少在10-1煤层开采4个月后、8-3煤层应至少在10-1煤层开采7个月后待覆岩运动稳定后再进行准备工作。

(3)8-3，9-3煤层顶底板均存在应力集中现象，从避免巷道受到集中应力影响角度分析，8-3，9-3煤层区段巷道应向10-1煤层采空区方向错动，避开10-1煤层实体煤区域和区段煤柱区域，将其布置在10-1煤层采空区上方。

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[责任编辑：周景林]

2016-11-15

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2017.02.007

王传华(1971-)，男，山东新泰人，硕士研究生，工程师，主要从事煤炭开采方面的技术和管理工作。

王传华，吴绍民，王兴水.近距离煤层上行开采可行性研究[J].煤矿开采，2017，22(2)：27-30，99.

TD

B

1006-6225(2017)02-0027-04