煤礦殘采區(qū)上行開采技術(shù)基礎(chǔ)研究

摘要：在目前我國有許多生產(chǎn)礦井中，在工作面采空區(qū)上方遺留了很多還可以開采的煤層，利用科學(xué)合理的方法和技術(shù)回收這部分的煤炭資源，這對我國經(jīng)濟(jì)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展有著很重要的作用，并且也符合我國倡導(dǎo)的建設(shè)節(jié)約型社會(huì)的要求。本文從結(jié)構(gòu)的角度出發(fā)，考慮上下煤層開采對層間巖層的共同作用影響，對層間巖層的結(jié)構(gòu)形式、結(jié)構(gòu)機(jī)理等進(jìn)行了詳細(xì)的研究。

關(guān)鍵詞：垮落法殘采區(qū) 上行開采 層間巖層結(jié)構(gòu)

0 引言

眾所周知，隨著國民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，科學(xué)技術(shù)的日新月異，我國的能源需求量也在不斷的加大，特別是對煤炭能源的需求量，我國的能源需求量與煤炭資源的供應(yīng)量之間的矛盾越來越突出，而由于新生的能源，如太陽能、核能和風(fēng)能等，這些又不能夠代替煤炭資源，成為能源供應(yīng)的主體地位。所以，對于每一個(gè)人來說，都應(yīng)該節(jié)約煤炭能源，提高煤炭資源的回收利用率。在目前我國有許多生產(chǎn)礦井中，在工作面采空區(qū)上方遺留了很多還可以開采的煤層，利用科學(xué)合理的方法和技術(shù)回收這部分的煤炭資源，這對我國經(jīng)濟(jì)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展有著很重要的作用，并且也符合我國倡導(dǎo)的建設(shè)節(jié)約型社會(huì)的要求。

根據(jù)有關(guān)資料和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對于回收工作面采空區(qū)上方遺棄的殘留煤層實(shí)質(zhì)上是對殘采區(qū)的煤層進(jìn)行上行開采。所以，我們進(jìn)行殘采區(qū)上行煤層的開采的同時(shí)，必須要充分的認(rèn)識(shí)到殘采區(qū)上行層間巖層結(jié)構(gòu)及其上部煤層底板移動(dòng)變形規(guī)律的重要性，同時(shí)要深刻理解和分析這兩個(gè)方面，這樣才能很好的解決相關(guān)問題而深入奠定殘采區(qū)上行開采的理論基礎(chǔ)。

1 煤礦殘采區(qū)上行開采技術(shù)所處地位

該研究為煤礦殘采區(qū)上行開采的基礎(chǔ)性研究，可為殘采區(qū)資源回收提供理論依據(jù)和技術(shù)支持，具有重要的學(xué)術(shù)意義與應(yīng)用價(jià)值。考慮到煤礦多有蹬空狀態(tài)的“遺棄”資源，本項(xiàng)目有廣泛的應(yīng)用價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。對于實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，建設(shè)節(jié)約型社會(huì)，更有鮮明的時(shí)代特色和深刻的社會(huì)意義。

2 殘采區(qū)上行開采層間巖層結(jié)構(gòu)及上行開采機(jī)理研究

2.1 垮落法殘采區(qū)上行開采層間巖層特點(diǎn)：

①層間巖層結(jié)構(gòu)主要由底層為堅(jiān)硬巖層的巖層組組成。其和上覆巖層協(xié)調(diào)同步下沉，和下部巖層下沉一般不同步。為此可視其為層間巖層控制層。

②斷裂后由于塊體從原巖應(yīng)力中解脫，剪脹效應(yīng)使得采空區(qū)傾向空間長度小于諸破斷塊體自然長度之和，產(chǎn)生巨大推力，此為諸接觸面的擠壓力源。

③結(jié)構(gòu)塊體在垮落前可認(rèn)為遵循塊體理論。

垮落法殘采區(qū)上行開采層間巖層結(jié)構(gòu)模型：

2.2 下部煤層開采層間巖層損傷范圍分析

對于長壁工作面開采，形成的采空區(qū)在推進(jìn)方向上的橫斷面為矩形，開采高度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于開采寬度，因此可將采場抽象成圖2所示力學(xué)模型。

通過查閱相關(guān)資料得到采場頂板最大損傷高度和距工作面端部的水平距離的計(jì)算公式；

采場頂板最大損傷高度可寫為：

而其距工作面端部的水平距離為：

式中：α—為煤層傾角，W—冒落過程中頂板的下沉值。

2.3 垮落法殘采區(qū)上行開采機(jī)理研究

下部煤層開采后，上部煤層在開采時(shí)直接底存在三種情況：第一種情況是巖層在下部垮落冒矸體支撐作用下自成結(jié)構(gòu)的上覆巖層，第二種情況是巖層在下部垮落冒矸體支撐作用下自成結(jié)構(gòu)本身，第三種情況是直接底巖層為垮落巖層。對于前兩種情況，殘采區(qū)上行開采是層間巖層在下部垮落冒矸體支撐作用下形成塊體梁——半拱結(jié)構(gòu)，既可以為上行開采所引起的各種載荷提供安全保障，又可以保證不會(huì)發(fā)生超過一定限值的縱向臺(tái)階錯(cuò)動(dòng)量，故可以上行開采；而對于第三種情況，不能保證煤層的連續(xù)完整性或準(zhǔn)連續(xù)完整性，只有在上部煤層縱向臺(tái)階錯(cuò)動(dòng)量小于一定數(shù)值時(shí)，才可以上行開采。

3 垮落法殘采區(qū)上行開采技術(shù)條件判定方法

第1步：明確巖層組成情況，并將這些巖層統(tǒng)一編號。

第2步：從下部煤層往上確定覆巖中的控制層位置。

第3步：確定變形盆地中央?yún)^(qū)與四周區(qū)。

第4步，對于盆地中央?yún)^(qū)的煤層，通過計(jì)算滿足下式的判定為可以進(jìn)行上行開采。

第5步，對于盆地四周區(qū)的煤層，通過計(jì)算滿足下式的判定為可以進(jìn)行上行開采。

4 結(jié)語

綜上所述，本文從結(jié)構(gòu)的角度出發(fā)，考慮上下煤層開采對層間巖層的共同作用影響，對層間巖層的結(jié)構(gòu)形式、結(jié)構(gòu)機(jī)理、上部煤層底板的移動(dòng)變形規(guī)律及預(yù)測模型進(jìn)行了詳細(xì)的研究，初步取得了一些研究成果。但由于殘采區(qū)上行開采影響因素較多（如整體巖層巖性及其組合、下層煤采高、上下煤層開采動(dòng)載荷的特點(diǎn)與規(guī)律以及對層間巖層的損傷影響）涉及學(xué)科門類較多（如巖石力學(xué)、斷裂力學(xué)、分形力學(xué)、損傷力學(xué)、材料學(xué)、巖石礦物學(xué)、測量學(xué)），因此作者認(rèn)為還應(yīng)從以下幾個(gè)方面做更加深入的研究：

4.1 由于殘采區(qū)上行開采是上下煤層都要開采的系統(tǒng)開采，其理論內(nèi)容涉及到礦山壓力及其控制、巖石力學(xué)、斷裂力學(xué)、分形力學(xué)、損傷力學(xué)、材料學(xué)、巖石礦物學(xué)、測量學(xué)等諸多學(xué)科。客觀開采條件與煤巖層組合狀況復(fù)雜多樣，開采方法也不盡相同，因此，在力學(xué)結(jié)構(gòu)的模型及機(jī)理研究方面，還需要做進(jìn)一步的深入研究與完善。

4.2 殘采區(qū)上行開采是下部煤層開采圍巖穩(wěn)定平衡后，再開采上部煤層，其上部煤層不同的頂板狀況對層間巖層的結(jié)構(gòu)以及上行開采可行性都會(huì)有不同的影響，考慮上部煤層頂板巖層及其組合結(jié)構(gòu)狀況進(jìn)行殘采區(qū)上行開采的理論研究還需要深入進(jìn)行。

4.3 垮落法殘采區(qū)上行開采層間巖層控制層結(jié)構(gòu)與下部冒矸體之間有相互作用，冒矸體的碎脹充填特性、強(qiáng)度以及壓實(shí)均勻度與層間巖層控制層結(jié)構(gòu)的定量關(guān)系還不甚清楚，還需要做大量的實(shí)驗(yàn)研究與理論分析。

4.4 殘采區(qū)上行開采的理論與技術(shù)，在西山煤電白家莊礦的應(yīng)用取得了成功，但鑒于煤巖層的復(fù)雜性與不同地域的差異性，殘采區(qū)上行開采理論與技術(shù)的普適性與可靠性，還需要在以后大量的實(shí)踐中不斷檢驗(yàn)并繼續(xù)完善。

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