近距离煤层上行开采与矿压显现规律分析

闫小卫

(陕西煤矿安全监察局榆林监察分局，陕西 榆林 719054)

下行开采和上行开采是以煤层的开采顺序进行区分的，通常上煤层的开采对下层煤不会有影响或产生很小的影响，因此实际生产中通常使用下行开采的方式[1-2]。在一些特定的地质与开采条件下，如上层煤为劣质或不稳定煤层而下层煤为优质稳定煤层等情况下，采用上行开采可减少前期投资，短时间内达到设计生产能力，提高经济效益等，但下层煤开采后会使得围岩应力重新分布，影响甚至破坏上覆岩层或煤层[3]。上层煤受采动影响，工作面的矿压显现可能出现异常。为此，本文以丁家梁煤矿为研究对象，分析上行开采可行性与工作面矿压规律。丁家梁煤矿共4层煤层可采，从上至下分别为Ⅲ-2煤层、Ⅳ-2煤层、Ⅴ-2煤层、Ⅵ-1煤层，经论证先行开采Ⅳ-2煤层，随后开采Ⅲ-2煤层。Ⅳ-2煤层使用“采6留6”房柱式开采方式，待覆岩破断垮落稳定后使用综合机械化采煤方法回采Ⅲ-2煤层，回采Ⅳ-2煤层会打破上覆平衡状态下的围岩体，使上方岩层发生形变甚至破断，Ⅲ-2煤层再进行开采，两层煤之间的岩层经历两次开采扰动，当工作面回采到下部采空区附近时，可能会出现较大的下沉倾斜，甚至会出现底板开裂，台阶式下沉，顶板大面积垮落和片帮等一系列不利的矿压显现现象。因此，在对Ⅲ-2煤层是否可上行开采进行分析的基础上，研究Ⅲ-2煤层工作面矿压显现规律，对其安全回采管理具有重要意义。

1 地质概况

丁家梁煤矿位于东胜煤田准格尔召新庙矿区南东部，本矿区煤岩层范围内构造简单，倾角1°～3°，多在1°左右。Ⅲ-2煤层和Ⅳ-2煤层为主采煤层，Ⅲ-2煤层埋深50 m左右，不含夹矸，平均厚度3 m，属于局部可采的不稳定煤层；直接顶为厚6～13 m，平均9 m的泥岩，老顶主要为厚15～30 m，平均24 m的砂质泥岩，老顶上方为平均厚15 m的松散层，厚度范围9～19 m。Ⅳ-2煤层厚为2.34～3.16 m，平均2.75 m，属全区可采煤层；距上部的Ⅲ-2煤层34.18～40.06 m，平均距离为35.79 m；该煤层直接顶为泥岩，厚度3～5 m，平均4.2 m；老顶为细砂岩，厚度15～20 m，平均17 m。

2 上行开采理论分析

丁家梁煤矿优先开采的Ⅳ-2煤层位于可采Ⅲ-2煤层的下部，为确定先采Ⅳ-2煤层的可行性，使用理论分析和数值模拟分析Ⅳ-2煤层回采后，覆岩层破坏高度。依据比值法、“三带”判别法和围岩平衡法进行理论计算和分析[4-7]，判断丁家梁煤矿Ⅲ-2煤层能否进行上行开采。

1) 比值法根据两层煤之间的距离和下层煤采高的比值，即采动影响倍数K值进行理论判断，当两层煤之间的岩性为中硬岩层时，要求K>7.5，丁家梁煤矿Ⅲ-2煤层、Ⅳ-2煤层之间主要为细砂岩，岩性为中硬，经计算K=10.8，理论上可进行上行开采。

2) “三带”判别法认为若上层煤处于下层煤回采所造成的垮落范围之内会受到较严重损坏，煤层无法采出，若上层煤处于下层煤回采造成的裂隙带范围内，上层煤受影响较小，在必要的安全措施下可以回采，若上层煤处于裂隙带范围外则基本不会受到损坏，可正常回采[8-9]，所以“三带”判别法判断的关键是下层煤回采形成的垮落带和裂隙带的高度。根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》，丁家梁煤矿Ⅲ-2煤层、Ⅳ-2煤层之间围岩为中硬岩层，计算见式(1)和式(2)[10-11]。代入数据计算得到垮落带高度范围为7.20～11.60 m，裂隙带延伸范围为31.05～42.05 m，可知Ⅲ-2煤层处于垮落带之外，基本位于Ⅳ-2煤层对应的导水裂隙带上限重合的层位，理论上可以进行上行开采。

(1)

(2)

式中：Hm为垮落带高度，m；HL为裂隙带高度，m；M为下层煤厚度，m。

3) 根据围岩平衡法理论，上层煤处在最靠近下部煤层采空区的坚硬岩层之上时，即可进行上行开采[12-13]，丁家梁煤矿下层煤采厚M为3.19 m，岩层碎胀系数K取1.2，平衡岩层厚度h取16.62 m，根据理论公式M/(K-1)+h计算得到丁家梁煤矿要求的上行开采最小层间厚度H等于32.57 m，而实际上Ⅳ-2煤层与Ⅲ-2煤层的层间厚度为35.79 m。

综上可知，丁家梁煤矿Ⅲ-2煤层与Ⅳ-2煤层采用上行开采方式可行，但是Ⅲ-2煤层与Ⅳ-2煤层对应的裂隙带距离很近，需进一步分析上行开采Ⅲ-2煤层工作面的矿压显现特征，掌握覆岩运移特征，以便指导制定工作面安全回采措施。

3 上行开采数值模拟分析

3.1 上行开采模型建立

本文利用数值模拟方法建立丁家梁煤矿上行开采模型，根据煤矿地质条件，模型长为250 m，高为115 m，左右边界各留50 m保护煤柱，上边界为地表自由面，左右边界固定水平位移，下边界固定垂直位移，模型如图1所示。

根据丁家梁煤矿地质报告和实验室煤岩物理力学参数测试结果，选取丁家梁煤矿各岩层模拟物理力学参数，结果见表1。

3.2 下部Ⅳ-2煤层开采围岩状态分析

模型中下煤层回采以房柱式为主，待模型平衡后分析Ⅳ-2煤层房柱式采空区煤柱稳定性和覆岩破坏状况，垂直应力分布见图2(a)，损伤情况见图2(b)，损伤因子越大代表损伤程度越高。

Ⅳ-2煤层回采形成高度约为7 m的垮落带，与理论计算相符，此时留设的煤柱上方出现明显的应力集中现象，煤柱大部分区域处于弹性变形阶段，整体稳定，能够有效支撑顶板。Ⅳ-2煤层回采后裂隙带发育高度约为22.7 m，较理论计算值偏小，分析原因应是上部17 m厚细砂岩整体较好， 一定程度上

遏制了裂隙带的发育，Ⅲ-2煤层处于裂隙带范围之外，数值模拟结果得到丁家梁煤矿可以进行上行开采。

图1 丁家梁煤矿数值模型Fig.1 Numerical model of Dingjialiang coal mine

表1 煤岩层力学参数Table 1 The mechanical parameters of coal and rock

图2 Ⅳ-2煤层开采后覆岩破坏发育情况Fig.2 The development of overlying rock failure after mining of Ⅳ-2 coal seam

3.3 上部Ⅲ-2煤层开采围岩状态分析

采用和下部Ⅳ-2煤层开采分析的同一个模型，在下部房柱式开采覆岩破断垮落运移稳定后，接着回采上部Ⅲ-2煤层。上部煤层回采时，层间岩层在经受Ⅳ-2煤层回采覆岩垮落影响后，会发生二次的卸荷破坏，随着工作面推进距离的增加，覆岩层损伤范围在逐渐增大，同时损伤程度有所加重，围岩破断发育过程如图3所示。

图3 上部Ⅲ-2煤层工作面不同推进距离下围岩破坏情况Fig.3 The destruction of surrounding rock under different advancing distances in Ⅲ-2 coal seam

工作面推进距离为45 m时，煤层基本顶粉砂质泥岩发生初次断裂，如图3(a)所示。分析Ⅲ-2煤层结构可知，此时为工作面基本顶初次来压，来压步距45 m左右，此后随工作面推进发生周期性破断，破断距离20 m左右。下方Ⅳ-2煤层采空区煤柱应力升高，煤柱未发生破坏；Ⅲ-2煤层工作面底板出现塑性破坏，破坏范围较小。

工作面回采至60 m时，下方Ⅳ-2煤层采空区顶板出现塑性破坏，发生垮落，但煤柱依然能够支撑顶板，Ⅲ-2煤层工作面底板发生破坏，破坏深度3 m左右，底板裂隙与下部采空区采动形成的裂隙贯穿，见图3(b)。

工作面回采至80 m时，下方Ⅳ-2煤层采空区部分煤柱发生塑性破坏，随着工作面继续推进，煤柱周边顶板垮落，Ⅳ-2煤层与Ⅲ-2煤层间围岩虽贯穿裂隙，但整体稳定，整体缓慢下沉，重新压实，形成新的稳定结构，不会出现大面积垮落现象，见图3(c)。Ⅲ-2煤层工作面推进至120 m时，向上的裂隙贯穿至地表，地表发生破坏，此时底板破坏深度约为4 m，破坏深度基本不再随工作面推进而增加，见图3(d)。

由于下方采空区煤柱最终会发生破坏，因此Ⅲ-2煤层回采时，应采取必要的安全措施，如缩短工作面长度，加快工作面回采速度，一定程度上减小采动干扰与矿压显现强度，开采时封闭下方采空区，使用钻孔探测加强地质环境监测，实时了解岩层厚度变化，保障安全开采。

4 上行开采矿压显现规律分析

4.1 上部Ⅲ-2煤层回采工作面来压步距理论分析

丁家梁煤矿Ⅲ-2煤层埋藏较浅，且只有上覆厚粉砂质泥岩为唯一硬岩层，满足长梁型[14-15]基本顶失稳的条件，可使用相应的理论计算公式进行相关计算。

初次来压步距计算公式见式(3)。

(3)

周期来压步距计算公式见式(4)。

(4)

式中：Lf为初次来压步距，m；Lp为周期来压步距，m；h2为断裂基本顶的厚度，m;Rt为基本顶抗拉强度，MPa;γ为岩石容重，kN/m3；h3为随动层(上覆软层)的厚度，m；

根据Ⅲ-2煤层赋存条件，基本顶厚度取24 m，基本顶抗拉强度取1.94 MPa，上覆岩层容重取21 kN/m3，上覆随动岩层厚度取20 m，带入式(3)和式(4)中，得到Ⅲ-2煤层工作面初次垮落步距为48.96 m，周期垮落步距为20.16 m。

4.2 上部Ⅲ-2煤层回采工作面矿压显现实测分析

上部Ⅲ-2煤层综采工作面长度100 m，采高3 m，循环进尺0.8 m，采用专用矿压监测设备监测记录工作面支架工作阻力在回采过程中的变化情况，通过近一个月的观测，得到工作面支架工作阻力典型的变化特征，如图4所示。

通过分析可知，丁家梁上部Ⅲ-2煤层综采工作面初次来压步距约为49 m，来压持续3 m左右，支架工作阻力平均为8 873 kN，经计算，动载系数为1.35，动载显现明显。 周期来压步距范围为16.15～23.3 m，平均周期来压步距19.9 m，来压动载系数为1.3，来压步距与理论计算结果基本一直，工作面回采过程中矿压显现明显，需要保证液压支架初撑力达到设定值，及时支护顶板，防止浅埋煤层顶板发生切落压死支架。

图4 Ⅲ-2煤层工作面支架工作阻力观测结果Fig.4 Observation results of support working resistance in Ⅲ-2 coal seam

5 结 论

1) Ⅳ-2煤层工作面垮落带高度范围为7.20～11.60 m，裂隙带延伸范围为31.05～42.05 m，Ⅲ-2煤层基本位于Ⅳ-2煤层对应的裂隙带上限重合的层位。

2) 数值模拟结果表明，Ⅲ-2煤层开采后，下部采空区顶板部分垮落，留设煤柱缓慢发生破坏，Ⅲ-2煤层与Ⅳ-2煤层间岩层裂隙带贯通，但是层间围岩整体稳定，缓慢下层，形成新的稳定结构，无大面积垮落现象，由此验证Ⅲ-2煤层上行开采可行性，但Ⅲ-2煤层需采取必要的安全措施。

3) 理论计算Ⅲ-2煤层顶板破断距离，初次垮落步距48.96 m，周期来压步距20.16 m。Ⅲ-2煤层回采时，采取必要的安全措施，如缩短工作面长度至100 m，加快工作面推进速度，封闭下方采空区，加强地质环境监测；实际开采过程中，初次来压步距49 m，周期来压步距19.9 m，动载系数约为1.3，矿压显现与理论计算相符且规律明显。