劉維信 張假妮 孟慶新 陸 超 劉中洋 牛龍喧

(山東東山王樓煤礦有限公司)

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近距離煤層群上行開采可行性探討

劉維信 張假妮 孟慶新 陸 超 劉中洋 牛龍喧

(山東東山王樓煤礦有限公司)

為遵循“一礦一面”的現代化礦井建設原則，根據某煤礦煤層群實際情況，對礦井煤層群合理的開采順序進行分析，該煤礦煤層群單一的下行開采方式有其局限性，3-1煤將采用上行方式開采，通過UDEC2D數值模擬及理論分析，證明了煤層群上行開采的可行性。

近距離 煤層群 上行開采 可行性 數值模擬 比值判別法

隨著開采條件的變化，煤炭越來越多地轉向煤層群開采。煤層群開采，無論是單一布置還是聯合布置，多年來遵循的原則是由上往下的開采程序[1]。但在某些復雜地質條件下，煤層群開采實行單一的下行開采有其局限性，因此，研究確定多煤層進行上下煤層合理有序的開采，對減少資源浪費、延長礦井壽命及礦井安全運行，具有重要意義[2]。

1 礦井煤層群基本情況

某煤礦首采區(qū)煤層地質構造比較簡單，煤層平均傾角24°。可采煤層自上而下為1煤、3-1煤、3-2煤。1煤平均厚度1.03 m，不含夾矸，結構簡單，頂底板巖性較為穩(wěn)定，大部分為粉砂巖，局部為泥巖；3-1煤平均厚度2.39 m，含有夾矸，夾矸厚度0.09～0.15 m，夾矸巖性為泥巖，煤層結構簡單，頂底板巖性較為穩(wěn)定，大部分為粉砂巖，局部為少量的中砂巖；3-2煤平均厚度1 m，含有夾矸，夾矸厚度0.14～0.46 m，巖性為泥巖，煤層結構簡單，頂底板巖性較為穩(wěn)定，大部分為粉砂巖，局部為少量的中砂巖。1煤與3-1煤的層間距為22.61～41.17 m，平均為32.09 m；3-1煤與3-2煤的層間距為0.81～2.36 m，平均為1.55 m。

2 煤層合理開采順序的分析

合理的開采順序首先應該在保證安全的前提下使礦井所有煤炭資源都能夠回收干凈；其次在今后的生產過程中采掘接替關系容易處理，整個礦井的服務期限內礦井的生產系統(tǒng)暢通、穩(wěn)定，運行可靠；還要考慮盡快達產，實現高產穩(wěn)產和高效開采。

某煤礦首采區(qū)可采煤層自上而下有1煤、3-1煤、3-2煤，其中1煤為薄煤層，3-1煤、3-2煤為中厚煤層，各煤層煤厚及煤層生產能力見表1。

表1 各煤層生產能力

該礦井年生產能力為1.50 Mt/a，從表1可以看出，僅3-1煤工作面即可達到礦井年設計生產能力，3-2煤工作面與1煤工作面配采也符合礦井年生產能力。從一礦一面的現代化礦井的建設原則、煤層生產能力及煤層間距方面考慮，計劃先開采3-1煤，待頂底板覆巖重新達到平衡狀態(tài)后，再將3-2煤與1煤配采，這種開采順序有利于礦井達產及煤層頂板水、瓦斯排放。

一般來說，采煤工作面對上覆巖層的采動影響比對其下煤層的采動影響更大，因此，一般選擇下行開采更有利于采掘接替，但是3-1煤、3-2煤與1煤的層間距較大，煤層上行開采對1煤層的連續(xù)性沒有太大的影響，為實現安全高效開采，需對3-1煤上行開采的可行性進行理論分析及數值模擬。

3 理論分析

兩個煤層開采的比值判別法(圖1)[3]

(1)

式中,K為上下煤層層間距與下位煤層采厚的比值；H為上下煤層層間距，m；M2為下位煤層采厚，m。

蔣金泉教授綜合物理模擬、井下探測研究所揭示出的覆巖裂隙發(fā)育亞分帶規(guī)律及覆巖結構平衡分帶規(guī)律，按層間距與下位煤層采高的比值H/M2,對

圖1 兩個煤層上行開采的比值判別法

上行開采的區(qū)間進行了重新劃分，由此對上行開采的可行程度做出判別和預測,并對礦區(qū)上行開采的區(qū)域劃分，為采掘部署及開采設計提供決策依據。

(1)不可開采區(qū)間(H/M<4.3)。近距離上位煤層底板不能形成準平衡帶的承載層，或上位煤層頂底板進入強裂隙亞帶，該區(qū)間內無法實行上行開采。

(2)準上行開采區(qū)間(H/M=4.3～9.5)，處于準平衡帶負載層及平衡帶內或中裂隙亞帶內，該區(qū)間內采取一定措施后可進行上行開采。

(3)正常上行開采區(qū)間(H/M>9.5)，處于弱裂隙亞帶或平衡帶以上部位，該區(qū)間結構不受破壞，可正常進行上行開采。

根據該煤礦1煤與3-1煤的層間距為22.61～41.17 m，按3-1煤平均厚度2.39 m作為采厚，1煤與3-1煤的最小層間距22.61 m計算，下煤層層間距與下位煤層采厚的比值為K=H/M1=9.46。

故按照比值分析法的評判標準，覆巖裂隙發(fā)育亞分帶規(guī)律及覆巖結構平衡分帶規(guī)律，1煤位于3-1煤覆巖平衡帶以上及弱裂隙亞帶及其上部，采取一定技術措施，可進行上行開采。

4 數值模擬分析

采用UDEC4.0離散元軟件進行計算機數值模擬，計算模擬內容主要包括下煤層開采對上煤層及其頂底板的采動影響效果。在本次工程數值建模中，對3-1煤工作面正常推采過程進行簡化分析，在采空區(qū)邊緣留設距模型邊界較大尺寸，即對于模型給定較大的邊界范圍，最大程度減少3-1煤工作面開挖對整個模型所造成的應力擾動影響。本次計算模型的設計幾何尺寸為(長×高)200 m×158.117 3 m。

4.1 煤層上行開采的塑性區(qū)分布

上行開采時，1煤位于3-1煤之上，需要分析3-1煤開采期間塑性區(qū)分布情況，明確其對1煤開采的影響。下煤層開采后其覆巖破壞區(qū)分布如圖2所示。

分析圖2可知，3-1煤開采后，3-1煤采空區(qū)附近上覆巖層發(fā)生塑性破壞，隨高度的增加塑性破壞程度逐漸減輕，到1煤位置塑性破壞程度已經很輕，煤巖層的強度特性基本沒有受到影響，兩側煤柱上部的上覆巖層局部區(qū)域發(fā)生了塑性破壞，隨高度的增加破壞程度減小，1煤及頂板也受到了一些影響，但塑性范圍很小，影響不大，開采條件基本沒有受到影響。

圖2 3-1煤上覆巖層與1煤破壞情況

4.2 煤層上行開采的覆巖運動規(guī)律

分析3-1煤開采期間覆巖運動規(guī)律及其對1煤的影響，運算結果如圖3所示。

圖3 3-1煤采動對各巖層垂直方向位移云圖

由圖3看出，3-1煤采動后，其上覆巖層垂直位移0～2 m，1煤處于整體下移的彎曲下沉帶。采空區(qū)中部下沉量最大，達到2 m左右，但為均勻下沉，上覆巖層和1煤均保持了較好的連續(xù)性。兩側受煤柱影響，下沉量向各自的煤柱方向逐漸減小，煤柱上方的頂板彎曲變形較大，可能出現拉斷、拉裂等狀況。1煤在3-1煤柱上方的下沉斜率可以判斷3-1煤柱對1煤的影響大小，3-1煤采空區(qū)下側煤柱上方1煤的最大下沉斜率為0.32%；采空區(qū)上側煤柱上方1煤的最大下沉斜率為6.35%。按照此斜率變化規(guī)律，煤層基本能夠保持其連續(xù)性，從這一角度來看，1煤的開采條件受到的影響不大。

5 結 論

通過對煤層及周圍巖層地質賦存條件分析，采用UDEC4.0離散元軟件進行模擬分析，并采用比值判別法對煤層上行開采可行性進行理論分析，得到的結論如下：

(1)3-1煤開采后，3-1煤采空區(qū)附近上覆巖層發(fā)生了較嚴重的塑性破壞，但到1煤位置塑性破壞程度已經很小，煤巖層的強度特征基本沒有受到影響，遺留煤柱上部的煤巖層塑性破壞和拉伸破壞較大，1煤層及其頂板也受到了一些影響，但塑性范圍很小。

(2)3-1煤采動后，其上覆巖層垂直位移0～2 m，1煤處于整體下移的彎曲下沉帶。采空區(qū)中部下沉量最大，達到2 m左右，但為均勻下沉，上覆巖層和1煤均保持了較好的連續(xù)性，1煤的開采條件受到的影響不大。

(3)3-1煤的開采對1煤有一定采動作用，1煤處于3-1煤覆巖平衡帶以上及弱裂隙亞帶及其上部，采取一定的技術安全措施，可進行上行開采。

[1] 雷明輝，宋振騏.緩傾斜煤層群上行開采的研究[J].山東礦業(yè)學院學報，1992，11(3)：213-219.

[2] 梁 冰，單龍輝，李 剛，等.大安山礦傾斜近距離煤層群上行開采可行性研究[J].科技導報，2012，30(33)：45-49.

[3] 徐永圻.采礦學[M].徐州：中國礦業(yè)大學出版社，2003.

2016-06-28)

劉維信(1977—)，男，副總工程師，272063 山東省濟寧市任城區(qū)喻屯鎮(zhèn)。