王團(tuán)圓

(西山煤電股份公司 鎮(zhèn)城底礦，山西 古交 030203)

1 工作面概況

崔家寨礦E12609 工作面位于+830 水平東二采區(qū)東部。上無采空區(qū)，下部疑似為永興煤礦5#煤采空區(qū)。E12609 工作面主采煤層6#煤層，煤層產(chǎn)狀較平緩，傾角為0° ～8°，工作面走向長度1 200 m，傾斜長度150 m。6#煤下方為小煤窯采空區(qū)，5#煤層與6#煤層平均間距為22 m。E12609 工作面處在近距離煤層群的開采環(huán)境中，層間距是影響上行開采的重要因素，給E12609 工作面實施上行開采帶來了技術(shù)難度。因此，理論計算、現(xiàn)場調(diào)研、技術(shù)措施的制定及施工管理將是該技術(shù)能否成功的關(guān)鍵。

2 “三帶”判別法

綜采工作面初次來壓過后，在其不斷推進(jìn)過程中，上覆巖層的破壞主要可分為三帶:冒落帶、裂隙帶與彎曲下沉帶。其中，冒落帶與裂隙帶是工作面頂板壓力大小的主要影響因素，彎曲下沉帶對工作面頂板壓力則幾乎沒有影響。

崔家寨煤礦5#、6#煤的“三帶”高度如下:

1)冒落帶高度。

5#煤上方冒落帶高度為5.11 m，冒落帶包括5#煤直接頂，即5.5 m 細(xì)砂巖;6#煤上方冒落帶高度為6.06 m，冒落帶包括6#煤上方的偽頂和直接頂，即0.56 m 的深灰色含炭黏土巖和5.5 m 黏土巖。

2)裂隙帶高度。

裂隙帶可按經(jīng)驗公式計算。由于5#煤頂板巖層主要由細(xì)砂巖、粉砂巖等組成，如按巖性屬中硬巖層，則裂隙帶高度H1計算如下:

式中:

M—采高，m。

6#煤頂板由黏土巖、細(xì)砂巖組成，按巖性屬中硬巖層，則裂隙帶高度H1計算如下:

3 巖層組合與關(guān)鍵層理論的“三帶”判別

崔家煤礦E12609 工作面煤巖綜合柱狀圖及關(guān)鍵層位置見圖1。

圖1 工作面煤巖綜合柱狀圖及關(guān)鍵層位置圖

由圖1 可知，5#煤直接頂為1.0 m 厚的粉砂巖與1.58 m 厚的細(xì)砂巖，此為5#煤層的第1 層巖層組合，該組合整體硬度系數(shù)為6.1，屬堅硬頂板類型。由于該直接頂厚度較小，故其不能形成關(guān)鍵層，屬于冒落帶。直接頂上方為7.38 m 的粉砂巖與1.6 m 厚的細(xì)砂巖，這兩層可作為第2 巖層組合，且該組合中粉砂巖不僅硬度較強(qiáng)，而且厚度也大。故在工作面推進(jìn)過程中，第1 巖層組合作為冒落帶及時在上覆載荷作用下垮落。由相關(guān)資料可知，5#煤可采厚度約4.0 m，巖石碎脹系數(shù)取1.30 時，第1 巖層組合完全跨落后充填空間厚度為3.23 m，因此，第2 巖層組合也會發(fā)生斷裂破壞，最終發(fā)生垮落，故其屬于垮落帶。由圖1 可知，第8 層至第5 層為第3 巖層組合，該巖層組合中，第8 層為厚度較大的粉砂巖，故其對上覆巖層起關(guān)鍵控制作用。6#煤能否在5#煤開采后正常安全開采，主要取決于第8 層粉砂巖在5#煤層開采擾動后的破壞程度。結(jié)合前述相關(guān)數(shù)據(jù)，第2 巖層組合完全跨落后留給第3 巖層組合的運動空間僅為0.63 m。因此，在工作面繼續(xù)推進(jìn)過程中，第3 巖層組合也會發(fā)生彎曲下沉甚至斷裂，但該巖層組合一般較為規(guī)則整齊。由此可知，上覆6#煤及頂板破壞并不嚴(yán)重，位于裂隙帶內(nèi)。第4 巖層組合為上覆第4 層至第1 層的砂質(zhì)黏土巖，該巖層組合強(qiáng)度較大，巖層變形破壞幾乎不明顯，屬于彎曲下沉帶，其上下各層位巖層的下沉差值均較小，故該組合內(nèi)巖層基本完整。

若采用上行開采法，當(dāng)5#煤開采以后，其上覆巖層變形破壞穩(wěn)定，結(jié)合巖層組合以及關(guān)鍵層理論便可分析6#煤在開采過程中頂板的變形規(guī)律。影響上覆巖層運動規(guī)律的主要因素是采高，6#煤厚度為3.13 m，將其作為開采6#煤工作面的采高，考慮到6#煤的直接頂即第4 ～6 層巖層的強(qiáng)度較小無法作為關(guān)鍵層，故將其作為隨著工作面推進(jìn)而垮落的冒落帶。由圖1 可知，第3 層巖層為6.48 m 厚的細(xì)砂巖，且其強(qiáng)度較高，可將其與第2 層砂質(zhì)黏土巖作為關(guān)鍵層，發(fā)揮支撐控制上覆巖層移動的作用。當(dāng)直接頂垮落后，由于巖層組合的運動空間僅為0.39 m，故該層巖層組合發(fā)生彎曲下沉但仍保持較好完整性，屬于6#煤的老頂，屬于裂隙帶。在此條件下，對5#煤的頂板采取適當(dāng)措施進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)維護(hù)后，6#煤也可進(jìn)行回采。

結(jié)合以上分析可得:

1)5#煤開采后，其上方冒落帶厚度為11.56 m，包括1.0 m 的粉砂巖、1.58 m 的細(xì)砂巖、7.38 m 的粉砂巖以及1.6 m 的細(xì)砂巖，且工作面直接頂處在冒落帶范圍內(nèi)。

2)隨著5#煤的開采，其老頂以及6#煤與其頂板位于裂隙帶，由于裂隙較為發(fā)育使得該巖層組合發(fā)生彎曲下沉，但破壞并不明顯，完整性保持的也較好。

3)由計算可知，6#煤開采過程中冒落帶厚度為9.03 m，下方5#煤開采完成后，若采取適當(dāng)?shù)陌踩夹g(shù)措施后，6#煤可在其上關(guān)鍵層的保護(hù)下進(jìn)行開采，故采用上行開采是可行的。

4 工程類比的“三帶”判別

傾角、巖性及組合不同的上覆巖層，其變形破壞規(guī)律也不盡相同。

不同傾角、不同巖性的巖層及其不同組合的覆巖，其移動及破壞規(guī)律不同。在緩傾斜及傾斜煤層中，煤層頂板冒落帶高度與其硬度分類有著密切的聯(lián)系，其中，相應(yīng)條件下的冒落帶最大高度Hm可按表1中公式計算。

5#煤頂板巖層主要有細(xì)砂巖、中砂巖等組成，巖性屬中硬巖層，則冒落帶高度Hm計算如下:

利用冒落帶經(jīng)驗公式和關(guān)鍵層理論所得結(jié)果基本一致。

表1 冒落帶高度Hm 計算公式

采用上行開采時，上下兩層煤的間隔距離大于下方每層的冒落帶高度時，還需計算出下方煤層的裂隙帶高度，分析間隔距離是否在裂隙帶范圍內(nèi)。經(jīng)分析可知，該礦5#煤頂板主要組成為粉砂巖與細(xì)砂巖，將其頂板看做中硬巖層，則該層煤裂隙帶高度H1計算如下:

結(jié)合上述計算結(jié)果，考慮到5#、6#煤層間距為22.12 m，可知5#煤的上覆直接頂處在冒落帶范圍之內(nèi)，上覆老頂位于裂隙帶的下位巖層中，且其裂隙較為發(fā)育，而6#煤則位于5#煤開采后裂隙帶的中部，屬于弱裂隙段的下部。

5 結(jié) 論

由“三帶”判別工作面的上行開采可知:

1)上下兩層煤間隔距離大于下方煤層裂隙帶的高度，則可采用上行開采法進(jìn)行正常開采。

2)上下兩層煤間隔距離小于等于下方煤層的裂隙帶高度時，其上方煤層結(jié)構(gòu)可能會發(fā)生部分破壞，進(jìn)行上行法開采的條件是必須采取對應(yīng)的安全技術(shù)措施。

通過以上理論計算，得到結(jié)果為:5#煤開采后引起的冒落帶高度為10 m 左右，裂隙帶高度為40 m 左右。由此可知，利用上行開采法對5#煤與6#煤進(jìn)行開采時，間隔距離≥40 m 時屬安全開采，間隔距離≥10 m 時屬可行開采，開采時需采取相應(yīng)的安全技術(shù)措施。同時雖然6#煤處于5#煤已破壞的裂隙帶內(nèi)，且其裂隙較為發(fā)育，但6#煤以及其頂板破壞程度較小，有較好的完整性，這是因為發(fā)育的裂隙釋放了6#煤工作面圍巖應(yīng)力，最終使得工作面及其巷道的破壞程度較小。

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