软岩矿区近距离厚煤层群上行开采可行性研究

李寿君，李 哲，郝嘉伟，于 斌

(1.扎赉诺尔煤业有限责任公司，内蒙古 满洲里 021410；2.山东科技大学能源与矿业工程学院，山东 青岛 266590)

煤层群开采时，一般采用下行顺序开采(正常顺序开采)，但在某些地质条件下，下行开采有明显缺陷，此时需要采用上行开采，即先将下层煤作为保护层开采，稳定后再开采上层煤，有利于矿井煤层群的高产高效开采[1]。蒋金泉等[2]通过数值计算和相似材料模拟研究了下部煤层开采后的垮落带、裂隙带和弯曲下沉带，提出了上行开采可行性的评估指标，指出采动影响系数K的临界值为5.5。张文杰等[3]对上部煤层的连续性和破坏程度分析进行了探讨，并对工作面平衡结构的两种类型及引起台阶错动量的主要因素进行了分析，从理论上确立了在大采高综采背景下上行开采的条件，并进行了寺河矿大采高综采上行开采可行性分析，确定了其上行开采的可行性。韩军等[4]利用多元回归分析方法，以直接顶初次垮落步距、时间间隔、采动影响系数为自变量，以上煤层破坏程度为因变量，建立了近距离煤层群上行开采可行性判据。王明立等[5]为保证刀柱式老采空区上行长壁开采安全，基于对层间岩体在采动过程中的受力分析，综合考虑层间岩体的黏聚力、摩擦阻力、采动压力、岩体自重、刀柱残余承载力等因素的作用，提出了评价层间岩体稳定性的安全系数法。张金海[6]依据FLAC软件数值计算结果所提供的界面模型和滑移面模型，确定了上部煤层回采工作面下沉量和下沉盆地形态，研究解决了上行开采薄煤层问题。张恩强等[7]通过物理材料相似模拟实验及计算机进行数值模拟，结合理论分析得出赵家梁矿可实现上行开采的结论。郭继圣等[8]应用理论分析以及UDEC模拟软件对寿阳县煤矿15号煤层上覆岩层和工作面回采后顶板破坏区域进行研究，确定矿井进行上行开采是可行的。马立强等[9]根据采动覆岩裂隙发育规律，阐释了近距煤层上行开采机制，分析了上行开采的可行性判别准则。王广利等[10]利用相似材料模拟方法分析了下部3-2煤层开采对3-3煤层的影响，确定了清河门矿231采区3-3煤层上行开采的可行性。孙泽东等[11]根据小回沟煤矿8#煤层和9#煤层特殊地质情况，通过采动影响系数法、“三带”判断法、围岩平衡法论证得出8#煤层可以上行开采，并运用FLAC3D数值模拟验证了理论分析的正确性。

目前国内外对软岩矿区近距离厚煤层群上行开采研究较少，本文首先采用FLAC3D有限元软件进行模拟，研究在开采Ⅱ2-1煤层完毕，Ⅱ2-1煤层顶板全部破坏稳定后，Ⅱ3煤层开挖对Ⅱ2-2煤层底板的影响及Ⅱ2-1煤层受扰动后对Ⅱ2-2煤层顶板的二次影响，最后运用比值判别法和“三带”判别法对灵东煤矿Ⅱ2-2煤层上行开采可行性进行判定。

1 矿井概况及地质条件

灵东煤矿可采煤层7层，主要可采煤层为II2-1煤层、II2-2煤层和II3煤层，其中，Ⅱ2-1煤层可采厚度1.53～19.38 m，平均15.21 m，埋深264.80～471.57 m，平均310.51 m；Ⅱ2-2煤层可采厚度1.56～7.04 m，平均3.37 m，埋深287.97～518.04 m，平均337.66 m；Ⅱ3煤层可采厚度1.55～27.10 m，平均20.67 m，埋深296.14～563.39 m，平均410.15 m。这三煤层顶底板岩性以泥岩、粉砂岩、炭质泥岩或砂质泥岩为主，煤层间距变化较大，均属稳定煤层。

Ⅱ2-1煤层与Ⅱ3煤层工作面近垂直布置，其中Ⅱ2-1煤层工作面采用一次采全高综合放顶煤采煤法，工作面倾向长度为200 m，走向长度约为965.8 m；Ⅱ3煤层工作面采用预采顶分层放顶煤采煤法，顶分层采用大采高综采工艺进行开采，采高为5 m，工作面倾向长度为250 m，走向长度约为1 270.5 m。工作面位置图如图1所示。

图1 工作面位置图

2 上行开采数值模拟分析

计算机数值模拟研究采用FLAC3D有限元软件进行分析，模拟内容主要包括Ⅱ2-1煤层和Ⅱ3煤层开采后顶底板塑性区、应力的发育状态，研究Ⅱ2-1煤层和Ⅱ3煤层开采后对Ⅱ2-2煤层顶底板的采动影响效应。

2.1 模型建立

为了研究Ⅱ3煤层开采后对Ⅱ2-2煤层及其顶底板的采动影响效应，建立FLAC3D数值模型，模型尺寸为长×宽×高=350 m×350 m×450 m。由于模型已模拟至地表，故在模型上边界无须施加垂直应力。模型前后和左右边界施加水平约束，底部边界固定，模型采用莫尔-库伦准则，模型中各岩层力学参数见表1。

2.2 模拟结果分析

2.2.1 Ⅱ2-1煤层开挖对Ⅱ2-2煤层顶板的影响

本模型在开采Ⅱ2-1煤层完毕，Ⅱ2-1煤层顶板全部破坏稳定后，对Ⅱ3煤层进行开采。首先开挖Ⅱ2-1煤层，模拟完成后对模型作“切片处理”，根据模型中Ⅱ2-1煤层底板塑性区分布及Ⅱ2-2煤层应力分布情况，研究开采Ⅱ2-1煤层对Ⅱ2-2煤层顶板稳定性的影响。

表1 各岩层力学参数表

如图2所示，Ⅱ2-1煤层开采后，顶板破坏高度为88 m，底板破坏深度为10 m，未对Ⅱ2-2煤层造成采动影响。由图3可知，在Ⅱ2-1煤层采空后，在Ⅱ2-1煤层工作面两侧煤柱边缘会形成应力集中区，影响Ⅱ2-2煤层的安全开采。因此，Ⅱ2-2煤层回采时应避开Ⅱ2-1煤层煤柱边缘形成的应力集中区，避免在Ⅱ2-2煤层工作面开采过程中发生直接顶漏冒现象，加强Ⅱ2-2煤层工作面的顶板控制管理。

2.2.2 Ⅱ3煤层开挖对Ⅱ2-2煤层顶底板的影响

图2 Ⅱ2-1煤层开采后顶底板塑性区图

图3 Ⅱ2-1煤层开采后顶底板应力云图

为研究Ⅱ3煤层开挖对Ⅱ2-2煤层底板的影响及Ⅱ2-1煤层受扰动后对Ⅱ2-2煤层顶板的二次影响，分别按照Ⅱ3煤层工作面推进25 m、50 m、75 m、125 m、150 m、200 m时的情况进行模拟，对不同推进步距下的模型作“切片处理”。Ⅱ3煤层开挖过程中Ⅱ2-1煤层和Ⅱ3煤层顶底板塑性区分布如图4所示，顶底板垂直应力分布如图5所示。

当Ⅱ3煤层工作面推进到25～50 m时，上覆采空区应力分布受采动影响变化并不明显，且Ⅱ3煤层推进后出现的扰动应力对Ⅱ2-2煤层的影响不大。Ⅱ3煤层工作面顶板受采动影响破坏高度不断增大，Ⅱ2-1煤层底板受采动影响不明显，破坏深度没有增加。当Ⅱ3煤层工作面推进到75～125 m时，上覆采空区煤壁两侧应力分布受采动影响变化不大，对下方Ⅱ2-2煤层顶板影响不明显，Ⅱ3煤层推进后左侧煤柱边缘出现的应力集中对Ⅱ2-2煤层底板的影响较大。Ⅱ3煤层顶板受采动影响破坏高度不断增大，Ⅱ2-1煤层底板破坏深度也有所增加，此时底板破坏深度为15 m。当Ⅱ3煤层工作面推进到150 m以上时，上覆采空区煤壁两侧应力分布对Ⅱ2-2煤层顶板影响较小，而Ⅱ3煤层推进后左侧煤柱边缘出现的应力集中对Ⅱ2-2煤层顶底板的影响明显增大。Ⅱ3煤层工作面顶板破坏高度达到最大，破坏高度为41.5 m，Ⅱ2-1煤层底板破坏深度也增大到20 m，对Ⅱ2-2煤层无直接破坏影响。Ⅱ2-1煤层与Ⅱ3煤层工作面两侧煤柱产生的应力集中区对Ⅱ2-2煤层的安全生产有一定程度上的影响。

图4 塑性区分布图

图5 应力分布云图

3 Ⅱ2-2煤层上行开采可行性分析

3.1 上行开采可行性判别方法

我国常用上行开采可行性分析方法主要有比值判别法和“三带”判别法，下面对两种方法进行详细介绍。

3.1.1 比值判别法

两个煤层上行开采的比值判别法如图6所示，上下煤层层间距H与下位煤层采厚M2的比值K可按式(1)计算。

(1)

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m2煤层采厚，m。

图6 两个煤层上行开采的比值判别法

根据我国垮落上行开采的实践和研究表明，当满足下列条件时，先采下位煤层，在上位煤层中可以进行正常采掘活动。当上下煤层之间的岩性为坚硬岩层时，K>8；当上下岩层间的岩性为中硬岩层时，K>7.5；当上下煤层间岩性为软弱岩层时，K>7。由此可对上行开采的可行程度做出判别、对上行开采效果做出预测、对矿区进行上行开采的区域划分，为采掘部署及开采设计提供决策依据。

3.1.2 “三带”判别法

“三带”判别法是一种常用的上行开采判别方法。“三带”判别法的主要依据是：当下部煤层开采后，如果上部煤层处于冒落带范围内时，下部煤层的开采会对上部煤层的整体性和完整性造成很大的破坏，则不能采用上行开采；如果上部煤层位于裂隙带范围内时，则上部煤层可在下部煤层开采后采取一定措施进行回采；如果上部煤层位于裂隙带范围以上时，则可以进行上行开采。

厚煤层综放开采时，放煤高度以上的煤层也在垮落带范围内，垮落带高度应以此开始计算。结合综放工作面煤层的采放有效厚度的概念，将有效厚度以上的煤层作为煤顶处理，采放有效厚度作为“真正”的采煤厚度，则垮落带计算公式为式(2)。

(2)

式中：Mn为采放有效厚度；Ф为采放有效厚度的回采率，一般取0.75～0.95；Kk为煤岩综合碎胀系数，一般取1.2～1.4。

3.2 Ⅱ2-2煤层上行开采可行性判定

由地质资料可知，Ⅱ2-2煤层可采区域下部的Ⅱ3煤层，赋存厚度及其与Ⅱ2-2煤层的层间距变化范围较大，而下煤层采高和两层煤间距是影响上行开采的决定因素。因此，采用比值判别法和“三带”判别法，对下层煤不同厚度时所需最小层间距进行计算，两种判别方法获得的层间距结果有一定差异，从安全角度考虑，以两者中的较大值作为最终判定结果且两种方法判定结果均为可以上行开采时，该位置才判定为可以上行开采，否则，判定为不可上行开采。判定结果见表2。

由表2可知，23-24勘查线、24-25勘查线、25-26勘查线、26-27勘查线、27-28勘查线、30勘查线和32勘查线揭露Ⅱ2-2煤层的可采区域，均满足上行开采要求，可以进行上行开采；19-20勘查线77-5钻孔和77-6钻孔、21勘查线77-16钻孔与89-1钻孔和22勘查线77-27钻孔附近的层间距满足最小层间距要求，但应采取措施(如充填开采)才可以实行上行开采。

综上所述，Ⅱ2-2煤层可以上行开采。如图7所示，对于上行开采区域，Ⅱ3煤层开采过程中需采取一定的技术措施，减小对Ⅱ2-2煤层采动影响。

表2 下煤层不同厚度时可以上行开采的层间距范围

续表2

图7 Ⅱ2-2煤层上行开采区域划分

4 结 论

1) 当Ⅱ3煤层工作面未推进到150 m时，随着Ⅱ3煤层工作面的不断推进，Ⅱ3煤层顶板破坏高度不断增大，Ⅱ2-1煤层底板破坏深度也有所增加，在Ⅱ3煤层推进后工作面左侧煤柱边缘出现的应力集中对Ⅱ2-2煤层的影响不大，上覆采空区煤壁两侧应力分布受采动影响变化不大，对下方Ⅱ2-2煤层顶板影响不明显。

2) 当Ⅱ3煤层工作面推进到150 m以上，顶板破坏高度达到最大，破坏高度为41.5 m，Ⅱ2-1煤层底板破坏深度也增大到20 m，对Ⅱ2-2煤层无直接破坏影响。Ⅱ2-1煤层与Ⅱ3煤层工作面两侧煤柱产生的应力集中区对Ⅱ2-2煤层的安全生产有一定程度上的影响。

3) 通过比值判别法和“三带”判别法对灵东煤矿软岩厚煤层Ⅱ2-2煤层上行开采的可行性进行了判定，由综合判定结果可知Ⅱ3煤层开采后，Ⅱ3煤层与Ⅱ2-2煤层的层间距能满足Ⅱ2-2煤层上行开采的要求。