龙王沟煤矿特厚煤层上行开采可行性分析.pdf

煤炭工程 2 0 1 3年第 2期 龙王沟煤矿特厚 煤层 上行开采 可行性分析 庞义辉 ，刘俊峰 ，袁任远 1 ．天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京1 0 0 0 1 3 ； 2 ．国家知识产权局专利局专利审查协作北京中心，北京1 0 0 0 8 0 摘要 根据 煤层的赋存条件 ，分析 了特 厚煤层 上行开采 的必要性 ，并采用理 论分析、 U D E C数值模拟对特厚煤层上行开采的可行性进行分析论证。分析结果表 明由于上部可采煤层 赋存条件差，该矿井采用上行开采非常必要 。理论计算结果表明，6号煤层采用一次采全厚整层 开采会对上部煤层造成破坏 ，可采用预采顶分层 采高 6 m 上行开采方法。 关键词 特厚煤层 ；上行开采；可行性分析 ；三带 中图分类号 T D 8 2 3 ． 2 5 4 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 1 0 9 5 9 2 0 1 3 0 2 - 0 0 0 8 - 0 4 An a l y s i s o n Fe a s i bi l i t y o f Up wa r d M i ni ng i n Ul t r a Thi c k S e a m o f Lo n g wa ng g o u M i n e P ANG Y i h u i ，L I U J u nf e n g ，YUAN R e ny u a n 1 ． Mi n i n g a n d D e s i g n D e p a r t m e n t ，T i a n d i S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y C o mp a n y L i mi t e d ，B e i j i n g 1 0 0 0 1 3，C h i n a ； 2 ． P a t e n t E x a m i n a t i o n C o o p e r a t io n C e n t e r o f t h e P a t e n t O f fi c e ，S I P O，B e ij i n g 1 0 0 0 8 0，C h i n a Ab s t r a c t Ac c o r d i n g t o t h e d e p o s i t i o n c o n d i t i o n s o f t h e s e a m， t h e p a p e r a n a l y z e d t h e n e c e s s i t y o f t h e u p wa r d mi n i n g i n t h e u l t r a t h i c k s e a m． T h e t h e o r e t i c al a n aly s i s a n d U DE C n u me ric a l s i mu l a t i o n w e r e a p p l i e d t o t h e a n a l y s i s a n d v e ri f i c a t i o n o n t h e f e a s i b i l i t y o f t h e u p w a r d mi n i n g i n u l t r a t h i c k s e a m． T h e a n aly s i s r e s u l t s s h o w e d t h a t d u e t o t h e p o o r d e p o s i t i o n c o n d i t i o n s o f t h e t o p mi n e a b l e s e a m ， i t w a s v e r y n e c e s s a ry t o a p p l y t h e u p w ard mi n i n g i n t h e mi n e ． T h e t h e o r e t i c al c a l c u l a t i o n r e s u l t s s h o w e d t h a t a f u l l s e a m mi n i n g i n No ． 6 s e a m wo u l d c a u s e f a i l u r e t o t h e t o p s e a m a n d a n u p w a r d mi n i n g m e t h o d i n a t o p s l i c e s e a m a m i n i n g h e i g h t o f 6 mc o u l d b e a p p l i e d ． Ke y wo r d s u l t r a t h i c k s e a m ；u p ward mi n i n g；f e a s i b i l i t y a n a l y s i s ； t h r e e z o n e s 目前，国内外绝大多数矿井均采用下行开采顺序 ，即 先开采上部煤层 ，然后再开采下部煤层 j 。但对于一些 特殊地质条件的矿井 ，比如上部煤层瓦斯含量异常、易沟 通含水层发生突水、煤层赋存不稳定等 ，而下部煤层赋存 稳定、开采技术条件优越 ，且下部煤层开采不会对后期上 部煤层的开采造成影响，则可以考虑采用上行开采，即先 开采下部煤层，然后再开采上部煤层 J 。 上行开采在一定条件下具有很大的技术、经济优势 ， 工作面能否采用上行开采主要受上、下煤层的层问距、下 部煤层的开采方法及一次采出煤层厚度、下部煤层的顶板 岩性及覆岩结构、煤层倾角及工作面接替顺序等 因素影 响 J 。本文针对煤层的赋存条件，对特厚煤层上行开采的 必要性、可行性进行分析论证。 8 1 工程概况 龙王沟煤矿共含煤近 2 0层，可采煤层 4层，分别是 3 ～、3 一、4 ～、6煤层，其中3 ～、6煤层为全区可采的主 要可采煤层，3 ～、4I 2 煤层为局部可采煤层。 3 煤层埋 藏较 浅 ，钻孔 揭露 埋深 为 0～1 1 5 ． 5 8 m，一 般 7 5 m左右 ，由于遭受 剥蚀和 自燃 ，西部 区域火烧 十分严 重，煤层连续性极差，且火烧边界十分不规则。由于煤层 埋深浅，煤层存在一定程度的出露，井田内废弃的小煤窑 非常多，煤层盗采十分严重。 3 I 2 煤层与3 煤层相距 2 5 m左右，为局部可采的薄煤 层，煤层厚度为 0 ． 1 5～1 ． 5 0 m，煤层 自井 田南部边界向北 东部逐渐变薄。 收稿 日期 2 0 1 2 0 8 0 1 基金项目国家高技术研究发展计划 8 6 3 计划 项目 2 0 1 2 A A 0 6 A 4 0 7 作者简介庞义辉 1 9 8 5一 ，男，河北保定人，2 0 1 0年毕业于中国矿业大学 北京 ，现从事矿山压力与岩层控制方面 的研究。 2 0 1 3年第 2期 煤炭工程 4 煤层与 3 煤层相距 5 0 m左右，亦为局部可采的薄 煤层。煤层厚度为 0 ． 0 0～l l 0 5 m，井 田中部煤层较厚，为 可采区，向四周逐渐变薄，为不可采区。 6号煤层是本区的主要可采特厚煤层 ，煤层厚度 4 ． 0 0 3 5 ． 5 5 m，平均煤层厚度 2 2 ． 6 m，全区可采，直接顶以泥 岩、砂质泥岩为主，直接顶厚度 0～l 1 ． 6 4 m，基本顶以粉 砂岩、细粒砂岩为主，厚度3 ． 0 8 2 7 ． 4 2 m。 各煤层赋存情况见表 l 。 表 1 各煤层 赋存 情况 煤层厚度特征 储量计算厚度 层 距 煤层 两极值／ m 结 构 可采 稳定 平均值， m 标准差／ m 变异系数 面积可采率 两极值， m 类型 类型 一 般值， m 3 1 1 ． 1 2～2 ． 8 7 全 区 0 ．4 0 0 ． 1 7 1 O 0 一般不含夹矸 2 0 ． 9 4 ～ 3 3 ． 8 7 稳定 2 _ 3 8 可采 1 层夹矸 ，厚度0 ． 1 3～O ． 5 7 m， 2 4 - 8 3 0 ． 1 5～1 ． 5 O 一般厚0 ． 2 5 m，岩性为粉砂 局部 较稳定 3 ’ 2 0 ．4 3 O． 5 5 5l l 8 ．2 6 3 5 ． 1 5 可 采 O ．7 8 岩及泥岩 O ． 0 0～1 ． O 5 2 2 ．4 1 局部 4‘ 2 0-2 7 0 ．4 0 3 7 一般不含夹矸 较稳定 O ．6 7 可 采 4 ． 0 ～ 3 5 ． 5 含0 ～ 8 层夹矸，厚度0 ～ 5 ． 3 m， 5 0 ．2 9 ～ 7 8 ． 5 7 全区 6 1 0 O 一般l g 2 ．6 m，岩性为粉砂岩及 2 2 ．6 泥岩 6 5 ． 5 7 町采 稳 定 2 上行开采的必要性分析 技术、经济优势，而且也是十分必要的。 根据矿井地质勘察报告中说明，3 煤层存在大范围的 剥蚀和火烧区域，煤层连续性非常差，火烧边界十分不规 则且很不容易准确控制，小煤窑对 3 煤层盗采严重，且盗 采范围不确定，如果按着常规 的下行开采顺序进行开采， 即先开采 3 煤层，然后再依次开采 3 ～、4 ～、6号煤层 ， 则矿井不仅达产困难，且存在较大的安全风险。 虽然在矿井东部区域 3 煤层连续性较好，但是该区域 资源勘查程度低，煤层地质条件变化风险大，且距离工业 场地较远，矿井投产需要的井巷工程量大，矿井建设工期 长、投资多，并导致工作面采掘接替紧张，矿井将很长时 间不能达产，经济效益差。 下部 3 I 2 煤层和4 煤层均为局部可采薄煤层，煤层可 采范围小 ，可采储量低，巷道多为半煤岩巷，不仅准备工 作量大 ，而且井 巷施工 时 间长 ，薄煤 层综采 工作 面生 产能 力小，会导致矿井投资效益降低。 下部 6号煤层为全区可采的特厚煤层 ，煤层赋存稳定 ， 储量丰富，初期开采该煤层具有生产系统简单 ，井巷工程 量小的优点 ，由于均为煤巷，可以节省投资，且巷道掘进 速度快，建井周期短。此外，6号煤层勘察程度高，资源可 靠，能够取得很好的技术、经济效益。 根据 煤矿开采学中上行开采的应用条件，该矿井 采用上行开采 ，符合上行开采应用条件中的第四条及第七 条，即上部为劣质、薄及不稳定煤层时，开采 困难 ，长 期达不到矿井设计能力 ，可先采下煤层 ，或上下煤层及薄 煤层搭配开采，能很快达到矿井设计能力；上部煤层开采 困难或投资很多，或下部煤质优良，从国民经济需要出发， 采用上行开采可迅速提高经济效益 J 。 综合上述分析，该矿井采用上行开采不仅具有很大的 3一次采全厚上行开采可行性分析 根据国内外大量 的研究、实践发现工作面能否采用 上行开采，主要受上、下煤层的层间距、下部煤层 的开采 方法及一次采出厚度、下部煤层 的顶板岩性及覆岩结构 、 煤层倾角及工作面接替顺序等因素影响，本研究主要采用 “ 三带”判别法、比值判别法、顶板损伤分析方法对该矿井 6号煤层采用上行开采大采高综放一次采全厚开采的可行性 进行分析论证。 3 ． 1 “ 三带”判别法 根据矿压理论，煤层开采后根据岩层破坏特征将其上 覆岩层分为弯曲下沉带、裂隙带和冒落带，“ 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 。 “ 三带”判别法的理论判断依据为 H一 丝 “ 一 『 K 一1 C O s 1 式中 冒落带的最大高度，m； M下层煤一次采 出厚度，考虑放顶煤损失，取 煤层最大厚度的8 5 ％，3 0 ． 2 m； O ／ 煤层倾角 ，取 1 。 ； 冒落岩层的碎胀系数 ，根据直接顶岩性，取 1 ． 3 5。 将该矿各参数带入上式可得 日 8 6 ． 5 m 9 煤炭 工程 2 0 1 3年第 2期 上部 4 一、3 煤层均位于下部煤层开采后的冒落带范 围内，不能采取上行开采。 3 ． 2比值 判 别 法 上 、下煤层之间的层间距与下部煤层一次采出厚度之 比、上下煤层之间岩层的结构和力学性质等都直接影响上 行开采是否能够成功。该理论方法的判别依据如下 K 等 式中 上下煤层的层间距 ，取最小层间距 5 0 ． 2 9 m。 我 国以往大量 的上 行开采 实践及 研究成果 表 明 当 比 值 K 7 ． 5时，下部煤层开采对上部煤层不会造成破坏，可 采用上行开采。本文计算得上、下煤层间距与下部煤层 采出厚度之比远小于7 ． 5 ，不能采取上行开采。 3 ． 3顶板 损伤 分析 方法 下部煤层的开采导致上覆岩层应力重新分布，并引起 上覆煤岩在纵向和横向上发生变形、破坏，甚至导致上部 煤层发生台阶错动，导致不能进行上行开采。该理论计算 方法认为若上部煤层位于下部煤层开采引发的损伤扰动 带以上，则可以进行上行开采，否则，下部煤层开采会破 坏上部煤层的整体性和连续性，不能进行开采。该理论方 法确定的上行开采安全层间距 为 I r 1 ． 5 7 [ 日一 一 M ， cos ] 2 L 一 M 式中 岩层容重，取 2 4 0 0 0 k N ／ m ； 煤层埋深，取 2 3 0 m； ￡ r ～ 工作面长度，取2 5 0 m； 煤层倾角，取 1 。 ； R 岩体抗压强度，因尺度效应取试验室岩块单 轴抗压强度的3 0 ％，9 MP a 。 计算得 H 1 0 7． 6m 即，上行开采安全煤层间隔距离为 1 0 7 ． 6 m。 由以上三种理论计算结果可知，如果下部 6号煤层采 用大采高综采放顶煤一次采全厚进行开采，煤层一次采出 厚度取 6号煤层最大厚度的 8 5 ％，则上部 4 煤层的整体 性与连续性必将遭到破坏，甚至还可能对上部 3 一、3 煤 层造成影响，导致无法开采。因此，6号特厚煤层采用整层 一 次采全厚上行开采不可行。 4 预采顶分层上行开采可行性分析 由于6号煤层厚度为 4 ． 03 5 ． 5 m，平均 2 2 ． 6 m，如果 下部煤层采用大采高综放一次采全厚开采，根据 煤矿安 全规程关于综放开采采放比小于1 3 的规定，按 6号煤层 平均厚度 2 2 ． 6 m进行计算，其机采高度应不小于 5 ． 6 5 m。 目前，世界上最大的大采高综放工作面机采高度不大于 5 ． 0 m，实际开采过程中机采高度多控制在 4 ． 5 m左右，机 采高度过大会引发煤壁片帮等问题。而我国大采高一次采 全厚开采技术已经很成熟，最大机采高度已经达到7 m，单 一 工作面年产量可达到 1 0 Mt 以上。 由上述理论计算结果可知6号煤层整层大采高综放上 行开采在技术上不可行，且 6号煤层采用大采高综放也面 临装备、开采工艺等世界性难题。为了实现矿井尽快达产 ， 可先对 6号煤层进行预采顶分层开采，在矿井达产后，再 对上部煤层进行开采 ，在不影 响产能和经济效益的同时， 不浪费煤炭资源。同时，也可以满足后期 6号煤层大采高 综放开采采放比的要求。 为实现矿井年产 l O Mt 能力，同时考虑我国大采高开采 技术发展水平及 6号煤层赋存条件，初步确定顶分层采高 为6 m，该采高情况下上行开采理论计算结果见表 2 。 表 2 理论判别方法计算结果 为了充分论证预采顶分层上行开采的可行性，采用 U D E C数值模拟计算软件进行了模拟分析，模型走向长度 2 0 0 m，模型高2 3 5 m，建立的数值计算模型如图1所示。 为了充分了解开采过程 中顶板及上覆岩层的变形及破 坏过程，工作面每次开挖 5 m，工作面推进到 1 2 0 m时，其 顶板破坏情况如图2所示。 通过对开采过程进行分析发现工作面推进到 1 5 m时， 1 0 其直接顶板垮落，当工作面推进到 4 0 m时，工作面初次来 压，且其顶板冒落高度基本保持不变。 工作面采高为 6 m时，顶板最大冒落高度为 2 1 ． 7 m，此 时4 I 2 煤层处于裂隙带的上部 ，其整体性与连续性未遭到破 坏，3 煤层和 3 煤层受下部煤层开采的影响很小，因此， 预采顶分层 采高6 m 上行开采技术上可行。 下转第 1 3页