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近距离煤层上行开采可行性研究 王传华，吴绍民，王兴水 新矿集团 秦华煤矿，新疆 库尔勒 841011 ［ 摘 要］秦华煤矿 10－1 煤层顶板裂隙发育、抗压强度不大、易于破碎，且与上覆 9－3 煤层 最小层间距 17. 6m，通过采用比值判别法 、“三带”判别法、数理统计分析法及 UDEC 计算机数值模 拟研究，结合我国上行开采的成功经验，分析了 10－1 煤层采空区边界的应力分布、覆岩变形破坏特 征，分析总结了 8－3，9－3 煤层工作面回采巷道的合理布置，确定了上行开采的合理时空关系。 ［ 关键词］近距离煤层; 上行开采; 顶板裂隙发育 ［ 中图分类号］ TD822［ 文献标识码］ B［ 文章编号］ 1006- 6225 201702- 0027- 04 Feasibility Study of Ascending Mining of Coal Seam with Close Range Roof Fractures Development ［ 收稿日期］ 2016－11－15［ DOI］ 10. 13532/j. cnki. cn11－3677/td. 2017. 02. 007 ［ 作者简介］ 王传华 1971－ ，男，山东新泰人，硕士研究生，工程师，主要从事煤炭开采方面的技术和管理工作。 ［ 引用格式］ 王传华，吴绍民，王兴水 . 近距离煤层上行开采可行性研究 ［ J］ ． 煤矿开采，2017，22 2 27－30，99. 秦华煤矿可采煤层 5 层，分别是 8－3，9－3， 10－1，10－2 和 10－5 煤层，其中 9－3 与 10－1 煤层 最小层间距 17. 6m。矿井开采过程中先行揭露了 10－1 煤层，受矿井采掘工程进度安排的影响，首 先在 10－1 煤层大部和 9－3 煤层局部进行了采掘工 作，随着矿井生产接续进入正常，后续将会在 10－ 1 煤层已采动区域布置 9－3，8－3 煤层采掘工程。 为保证安全生产，结合我国长期以来对上行开采技 术的研究成果 ［1－4 ］，对秦华煤矿 8－3，9－3 煤层上 行开采进行了可行性研究，为上行开采提供了理论 依据。 1矿井地质构造 矿井所处地质条件为小型山间盆地陆相沉积， 聚煤作用发生在早侏罗世中、晚期和中侏罗世早 期，受华力西运动、燕山运动及喜马拉雅运动影 响，使地层发生褶皱断裂，造成了矿井煤层顶板层 理、节理和裂隙发育，煤层顶板抗压强度不大，易 于破碎的现状。矿井可采煤层 5 层，分别是 8－3， 9－3，10－1，10－2 和 10－3 煤层，其中 8－3 与 9－3 煤层平均层间距 35. 0m，9－3 与 10－1 煤层平均层 间距 21. 0m。秦华煤矿可采煤层情况如表 1 所示。 表 1秦华煤矿可采煤层情况一览 煤组煤层纯煤厚/m夹矸/层夹矸厚/m稳定性间距/m顶板岩性底板岩性 88－3 0. 99～1. 82 1. 48 0～2 0. 07～0. 50 0. 24 稳定 99－3 0. 27～2. 08 1. 73 0～1 0. 07～0. 30 0. 18 稳定 10 10－1 1. 46～2. 02 1. 76 0～3 0. 06～0. 35 0. 16 稳定 10－2 0. 93～1. 58 1. 48 0～10. 09稳定 10－5 0. 95～3. 47 1. 81 0～3 0. 10～0. 67 0. 31 稳定 53. 26～22. 96 35. 00 29. 72～17. 60 21. 00 18. 97～1. 30 3. 00 20. 62～4. 52 10. 00 粉砂岩粉砂岩 粉砂岩泥岩 粉砂岩泥岩粉砂岩 炭质泥岩泥岩粉砂岩 炭质泥岩泥岩 210－1 煤层采动影响计算模拟分析 通过对抗剪、抗拉、抗压、饱和抗压及坚固性 系数、膨胀率等矿井顶底板岩石物理力学性质进行 试验，得到结论，煤层顶底板抗压强度不大，易于 破碎，煤层底板遇水膨胀，易发生底鼓。 2. 1数值工程地质模型建立 对于 10104 西工作面正常推采过程进行简化分 析，计算模型的设计几何尺寸为350m 长 150m 高 。模型边界条件界定 左、右及上下边 界即 x，y 方向的速度和位移矢量设计为零;界定 上边界为自由边界，上覆岩层以外在荷载的形式施 加于上部边界。模型如图 1 所示。 2. 210－1 煤层开采对 8－3，9－3 煤层顶底影响 72 第 22 卷 第 2 期 总第 135 期 2017 年 4 月 煤矿开采 COAL MINING TECHNOLOGY Vol. 22No. 2 Series No. 135 April2017 ChaoXing 图 1数值模型 通过模型分析，当工作面推进 140m 时，裂隙 离层带发育至 9－3 煤层顶板 20m 处 距整个模型 下部边界 50m 处 ，裂缝带达到最大高度，距 10－ 1 煤层顶板约 41. 0m，如图 2 所示。 图 2裂缝带导通高度示意 分析 10－1 煤层开采后，8－3，9－3 煤层顶底 板的塑性区分布等，明确其对 8－3，9－3 煤层开采 时的影响。10－1 煤层开采后，覆岩破坏区分布如 图 3 所示。 分析可知，10－1 煤层开采后，8－3，9－3 煤层 在靠近 10－1 煤层煤壁附近出现大量的拉伸破坏 区，降低了煤体的整体性及承载能力。下位煤层开 采后，上位煤层及其顶底板的结构完整且不发生台 阶错动是上行开采的前提 ［5 ］，因此 8－3，9－3 煤层 工作面的开切眼及停采线位置应避免与 10－1 煤层 工作面相应位置重叠布置，布置位置需要向采空区 方向错动。 10－1 煤层开采垮落带高度约为 8m，最大导水 图 310－1 与 8－3，9－3 层间岩层覆岩破坏情况 裂缝带约为41m，导水裂缝带高度波及到9－3 煤层 顶板以上约 20m，导通至 9－3 煤层基本顶。因此， 9－3 煤层回采期间要加强工作面的顶板控制，避免 采场出现直接顶的漏冒，并注意对顶板运动进行监 测、分析和预报。 2. 310－1 煤层采动应力分布与上行开采作用效应 上行开采程序条件下，下位 10－1 煤层开采的 采动应力分布及其对 10－1 煤层的采动作用效应， 如图 4 所示。 图 4 10－1 煤层采动影响分布 由图 4 a看出，10－1 煤层开采后，由于上 覆岩层呈现拱形运动，因此在拱形覆岩运动区内形 成了拱形的应力降低区，在 10－1 煤层遗留煤壁向 上部岩层发展形成了应力升高区，应力升高范围在 8－3，9－3 煤层分布范围如图 4 b所示，最大垂 直应力为 15. 14MPa，约为原岩应力的 3. 05 倍，8－ 3，9－3 煤层回采巷道应避免布置在这些应力集中 区域。9－3 煤层受 10－1 煤层采动影响，其直接顶 与基本顶之间出现离层，8－3，9－3 煤层则在 10－1 采空区对应区域产生卸载，在 10－1 煤层开采引起 覆岩运动稳定之后，在应力卸载区域布置 8－3，9－ 3 煤层回采巷道对开采及巷道维护均较为有利。 82 总第 135 期煤矿开采2017 年第 2 期 ChaoXing 数值分析表明 10－1 煤层开采引起 8－3，9－3 煤层在 10－1 煤层煤壁处的支承压力集中。为实现 上行安全开采，应将 8－3，9－3 煤层的区段巷道布 置在远离 10－1 煤层煤壁的采空区内。 38－3，9－3 煤层上行开采可行性分析 根据秦华煤矿 10－1 煤层上覆的 8－3，9－3 煤 层的地质条件及煤炭资源赋存的空间关系，着重分 析了 10－1 煤层开采后对上部 8－3，9－3 煤层的结 构性影响。 3. 1比值判别法 综合物理模拟、井下探测研究所揭示出的覆岩 裂隙发育结构平衡分带规律，按公式 h 层间 距 /M 煤层采高 k 开采区间划分划分上 行开采的可行性区间，对上行开采的可行程度及效 果做出预测，确定是否可以进行上行开采活动，上 行开采可行性区间划分见表 2。 10－1煤层按实际采高2. 0m作为采厚， 最小 表 2上行开采可行性的区间划分［6 ］ 区间划分不可上行开采区间基本层间距准上行开采区间正常上行开采区间 围岩平衡 上位煤层底板不能形成准平衡结构的 承载层 ＜5. 53 煤层底板为准平衡带的承载层，煤层 为负载层 5. 53 准平衡带负载层或平 衡 带 内 5. 53～ 9. 26 平衡带以上 ＞9. 26 覆岩破坏 上位煤层顶板进入强断裂亚带 ＜5. 1 煤层顶板处于中断裂亚带底部 5. 1 中断裂亚带内 5. 1～ 9. 7 弱断裂亚带及其上部 ＞9. 7 综合＜5. 55. 55. 5～9. 5＞9. 5 层间距 17. 60m 计算，则 K H M11 17. 60 2. 0 8. 8 故按照比值分析法的评判标准，9－3 煤层与 10－1 煤层的区间处于围岩准平衡带负载层或平衡 带内及中断裂亚带内，属于准上行开采区间，施工 制定合理的技术措施，可以进行上行开采。 10－ 1 与 8 － 3 煤层之间的层间距 40. 56 ～ 82. 98m，平均层间距 56m。按实际采高 2. 0m 作为 采厚，最小层间距 40. 56m 计算，则 K H M11 40. 56 2. 0 20. 28 故按照比值分析法的评判标准，8－3 煤层位于 10－1 煤层覆岩平衡带以上，可正常进行上行开采。 3. 2“三带”判别法 钻孔和井巷揭露资料表明，10－1 与 8－3，9－3 煤层间岩性一般为粉砂岩、细砂岩和中砂岩，属松 软－中硬岩层。根据 建筑物、水体、铁路及主要 井巷煤柱留设与压煤开采规程 ，煤层开采条件属 于缓倾斜煤层长壁垮落法开采，按照公式 ［7－8 ］计算 10－1 煤层全部垮落法开采后的垮落带、导水裂缝 带高度见表 3。 表 310－1 煤层开采后的垮落带和裂缝带高度计算 煤层号 距上一煤层 最小层间距/m 最大 采厚/m 最大垮落带和裂缝带高度/m 垮落带 中硬软弱 裂缝带 中硬软弱 10－117. 602. 09. 246. 035. 031. 0 由表 3 分析可知，10－1 煤层开采后裂缝带高 度 31m，大 于 10 － 1 与 9 － 3 煤 层 最 大 层 间 距 29. 72m，导致 9－3 煤层的内部结构发生中等程度 破坏，对 8－3 煤层基本没有影响，10－1 煤层开采 后，制定一定的技术及安全措施可以对 9－3 煤层 进行开采。 3. 3数理统计分析法 煤炭科学研究总院根据我国煤矿上行开采的部 分实例，分析回归出求算下部一个煤层采动影响的 上行开采的必须层间距 H 的经验公式 H＞1. 14M24. 14MS［9 ］ 式中，M 为下煤层采高，m;MS为上煤层厚度， m。 矿井 10－1 煤层实际采高 2. 0m，9－3 煤层厚度 2. 0m，两煤层最小层间距为 17. 60m，按照上述经 验公式计算H 1. 14 2. 02 4. 14 2. 0 10. 7 m ，结果小于煤层最小层间距 17. 60m。 采用数理统计分析法，10－1 煤层和 9－3 煤层 层间距满足上行开采判别准则。 48－3，9－3 煤层回采工作面合理布置研究 4. 1采动影响的空间关系 图 5 反映了反程序开采后采空区上覆岩层移动 盆地的特点 ［10 ］。 由图 5 可知，下部边界影响区斜长 lx 为 lx H cot αβ0 cotψ1[] 上部边界影响区斜长 ls 为 ls H cot γ0－α cotψ2[] 走向边界影响区斜长 lz l ψ3 l δ0，即 lz H cotψ3 cotδ 0 式中， H 为上下煤层间距，m; α 为煤层倾角，3～ 21，取平均 12; β0，γ0，δ0分别为下部边界角、 92 王传华等 近距离煤层上行开采可行性研究2017 年第 2 期 ChaoXing 图 5采空区上覆岩层移动盆地 上部边界角、走向边界角; ψ1，ψ2，ψ3分别为下部 充分采动角、上部充分采动角、走向充分采动角。 根据矿井 8－3，9－3，10－1 煤层所处区间的岩 性，取 γ0 60，β0δ0－0. 7α ，δ0 60，ψ1ψ3－ 0. 5α，ψ2ψ30. 5α，ψ3 60，则 10－1 煤层的开 采边界影响区计算结果见表 4。 表 4 10－1 煤层开采的边界影响范围 煤层号 距 10－1 煤层的平均间距/mlx/mls/mlz/m 9－321. 025. 728. 324. 2 8－356. 068. 575. 464. 7 备注 层间距按平均层间距计算 由表 4 可以看出，由于 10－1 与 9－3 煤层层间 距较小，10－1 煤层开采后其边界影响对于 9－3 煤 层开采仍然较强，由于上部边界影响区范围内的煤 层及其围岩在覆岩移动盆地形成过程中会发生一定 程度破坏，因此，8－3，9－3 煤层内布置的区段巷 道应尽量布置在上部煤层边界影响区范围之外，降 低巷道维护的难度。 4. 28－3，9－3 煤层与 10－1 煤层开采的时间关系 上行开采时，上下煤层回采应有一定的间隔时 间，否则，即使有足够的层间距，在回采上部煤层 时，仍然会出现压力大等困难情况。根据岩移理 论，下位煤层开采后，上位煤层的稳定时间取决于 层间距、层间岩性以及顶板管理方法。对于全部垮 落法开采，需根据 10－1 煤层距 9－3，8－3 煤层的 距离，按经验公式 1 估算 10－1 煤层的移动延续时 间 T。 经验公式 1 T2. 5H 式中，T 为移动延续时间，d;H 为最大层间距， m。 由此可知，10－1 煤层开采后的 9－3 煤层移动 延续时间分别为 T10－92. 529. 7275 d 10－1 煤层开采后的 8－3 煤层移动延续时间分 别为 T10－82. 582. 98207 d 按照经验公式 2，上下煤层的开采时间间隔 为 经验公式 2 T0. 08k3 月 式中，k 为采动影响倍数。 由此可见，时间间隔应至少在 4 个月以上。 为安全起见，两者取其大，10－1 煤层开采后 9－3 开采时间间隔应不小于 4 个月，8－3 煤层开采 间隔时间应不小于 7 个月。 6结论 19－3 煤层位于下部 10－1 煤层开采的围岩 准平衡带负载层及中断裂亚带内，为准上行开采区 间，制定合理的技术措施，可以进行上行开采。8 －3煤层位于 10－1 煤层覆岩平衡带以上，可正常进 行上行开采。 29－3 煤层应至少在 10－1 煤层开采 4 个月 后、8－3 煤层应至少在 10－1 煤层开采 7 个月后待 覆岩运动稳定后再进行准备工作。 38－3，9－3 煤层顶底板均存在应力集中现 象，从避免巷道受到集中应力影响角度分析，8－ 3，9－3 煤层区段巷道应向10－1 煤层采空区方向错 动，避开 10－1 煤层实体煤区域和区段煤柱区域， 将其布置在 10－1 煤层采空区上方。 ［ 参考文献］ ［ 1］ 张京超，续文峰 . 复杂地质条件近距离煤层上行开采技术研 究与实践 ［ J］． 煤矿开采，2014，19 5 33－35. ［ 2］ 刘天泉 . 用垮落法上行开采的可能性 ［J］ ． 煤炭学报，1981， 1 2 18－28． ［ 3］ 安丰存，高琳，孙海民 . 浅埋厚煤层开采导水裂隙带发育 高度判断方法 ［ J］ ． 煤炭技术，2015，34 12 107－109． ［ 4］ 李光辉，张国辉 . 受水害威胁煤层上行开采技术研究 ［J］． 中州煤炭，2013 8 14－20． ［ 5］ 宗彩建，尹增德，刘进晓，等 . 济二 3上近距离煤层上行开采 可行性研究 ［J］． 煤炭技术，2016，35 10 59－60． ［ 6］ 蒋金泉，孙春江，尹增德，等 . 深井高应力难采煤层上行卸 压开采的研究与实践 ［J］． 煤炭学报，2004，29 1 1－6． 下转 99 页 03 总第 135 期煤矿开采2017 年第 2 期 ChaoXing 3 个测点浓度最大，此时 1 号测点距离工作面约 90m，2 号测点距离工作面约 110m，3 号测点距离 工作面约 130m，3 个测点的 CO 值均达到 7010 －6 以上，意味着自燃带里面的遗煤出现了低温氧化的 现象，煤的温度开始增加，这时该区域的浮煤或许 已经临近自燃的温度。 5结束语 1针对浅埋煤层群开采隐蔽火源位置难以 识别的特点，采用新研发的煤矿火灾多参数监测系 统可大范围、高效率、24h 实时监测高温火源点位 置，为煤层群开采自然发火提供先进的监测手段。 2为避免煤层群开采自然发火应该防止煤 层间及地表漏风，以免引起大面积高温区域，一旦 有 CO 等指标气体异常情况，应该采用煤矿火灾多 参数监测系统，利用分布式光纤测温及井下就地束 管监测原理，锁定高温火源点，实现高温火源点的 有效治理。 ［ 参考文献］ ［ 1］ 张辛亥，李昊，等． 补连塔煤矿上覆采空区大面积火区综合 治理技术研究 ［ J］ ． 煤炭工程，2014，46 2 52－54. ［ 2］ 张辛亥，席光，陈晓坤，等． 近距离煤层群开采自燃危险域 划分及自燃预测 ［ J］ ． 煤炭学报，2005，30 6 733－736. ［ 3］ 韩春晓． 高瓦斯煤层群煤柱综采工作面立体抽采技术研究与实 践 ［ J］ ． 煤矿开采，2015，20 4 118－119，129. ［ 4］ 马曙，杨明涛，李晓华，等． 高瓦斯自燃煤层采空区瓦斯抽 采及防灭火技术实践 ［J］． 煤矿开采，2012， 17 1 83－85. ［ 5］ 王长元，王正辉，岳超平． 易燃高瓦斯综放面煤层自燃综合防 治技术 ［ J］ ． 矿业安全与环保，2007，34 5 56－58. ［ 6］ 邵昊，蒋曙光，王兰云，等． 尾巷对采空区煤自燃影响的数 值模拟研究 ［J］． 采矿与安全工程学报，2011，28 1 45－ 50. ［ 7］ 周瑜苍，郭璋，李朝辉． 特厚易自燃煤层综放工作面自燃三 带划分及防灭火技术 ［J］ ． 煤矿开采，2016，21 1 105 －107. ［ 8］ 徐圣集． 冯家塔矿易自燃煤层采空区火区火源探测研究 ［J］． 煤矿开采，2016，17 3 93－95.［责任编辑 李青］ 檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶 上接 30 页 ［ 7］ 马立强，汪理全，张东升，等 . 近距离煤层群上行开采可行 性研究与工程应用 ［J］ ． 湖南科技大学学报 自然科学版 ， 2007，22 4 1－5． ［ 8］ 尹增德 . 采动覆岩破坏特征及应用研究 ［D］． 泰安山东科 技大学，2007． ［ 9］ 冯国瑞，任亚峰，王鲜霞，等 . 白家庄煤矿垮落法残采区上 行开采相似模拟实验研究 ［J］ ． 煤炭学报，2011，36 4 544－550． ［ 10］ 汪理全 . 上行开采技术 ［M］ ． 北京煤炭工业出版社， 1995． ［责任编辑 周景林］ 檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶 上接 50 页 形情况，与原支护时相比，砂岩与砂质泥岩混合段 和砂质泥岩段围岩顶底板和两帮移近量分别降低了 86. 4和 90. 1，78. 5和 89. 9，从而定量地说 明新支护设计方案的合理性和科学性。 2根据－800m 水平南翼轨道上山的变形破 坏特征，分析得出其主要影响因素包括围岩性质、 围岩地应力、采动影响和施工设计，针对各种影响 因素，可采用 “对症下药”的方式，对深部软岩 巷道进行维护与治理。 3鹤煤三矿－800m 水平南翼轨道上山属于 深部软岩巷道，巷道断面大且穿越不同岩性岩层， 地质条件相对复杂，因此整体上表现出与一般软岩 巷道不同的变形破坏特征，研究成果可为相似地质 条件下巷道维护与治理提供参考。 ［ 参考文献］ ［ 1］ 余荣春 . 深部软岩回采巷道支护方案分析 ［J］ . 煤炭技术， 2015，34 7 88－89. ［ 2］ 王云平，赵德深，郭东亮 . 采动作用下孔隙水压力对深埋软 岩巷道稳定性的影响 ［J］ . 煤矿安全，2016，47 2 200－ 203. ［ 3］ 李宁，刘乃飞，张承客，等 . 复杂地质中城门洞型隧洞围 岩稳定性快速分析与设计方法 ［J］ . 岩石力学与工程学报， 2015，34 7 1435－1443. ［ 4］ 齐干，李占金，唐强达，等 . 深部大断面软岩巷道变形力 学机制及耦合支护设计 ［J］ . 采矿与安全工程学报，2009， 26 4 455－459. ［ 5］ 李为腾，王琦，李术才，等 . 深部顶板夹煤层巷道围岩变 形破坏机制及控制 ［ J］ . 煤炭学报，2014，39 1 47－56. ［ 6］ 王超，伍永平，赵自豪，等 . 深部软岩巷道变形破坏监测 分析 ［J］ . 煤炭科学技术，2010，38 11 45－47. ［ 7］ 杨利平，张凤杰 . 深部软岩巷道支护围岩结构的变化规律研 究 ［ J］ . 煤炭技术，2014，32 6 19－22. ［ 8］ 陈晓祥，勾攀峰，范增哲，等 . 深井高应力高突区域回采巷 道变形特征及控制 ［J］ . 采矿与安全工程学报，2013，30 3 363－368. ［ 9］ 李国良，朱永全 . 乌鞘岭隧道高地应力软弱围岩大变形控制 技术 ［J］ . 铁道工程学报，2008 3 54－59. ［ 10］ 谢广祥，常聚才，张永将 . 谢一矿深部软岩巷道位移破坏特 征研究 ［J］ . 煤炭科学技术，2009，37 12 5－8. ［ 11］ 孟庆江，刘喜忠，李国锋 . 兴安矿深部软岩巷道底鼓控制对 策 ［J］ . 煤矿开采，2008，13 4 63－65. ［责任编辑 于健浩］ 99 邢震 近距离煤层群开采上覆煤层自燃危险区域探测技术2017 年第 2 期 ChaoXing