煤層群二次上行開采對上位煤層影響研究

馬進功 郝萬東

（中國煤炭科工集團太原研究院，山西省太原市，030006）

煤層群二次上行開采對上位煤層影響研究

馬進功 郝萬東

（中國煤炭科工集團太原研究院，山西省太原市，030006）

王莊煤礦擬開采的2＃煤先后兩次受到其下部7＃、9＃煤開采的影響，需要對上行開采可行性進行研究。基于相關巖層控制理論，采用數值模擬方法，研究下部煤層二次采動影響下，上覆巖層尤其是關鍵層巖層與2＃煤層的移動規律與破壞特征。分析論證2＃煤上行開采的可行性。數值模擬研究認為，在經歷下部兩次采動影響后，2＃煤仍處于彈性變形階段，可以采用上行開采，并在現場實踐中取得了較好的效果。

煤炭開采 上行開采 數值模擬 二次采動 塑性破壞 彈性變形

江蘇省王莊煤礦主采2＃煤、7＃煤、9＃煤，2＃煤位于7＃煤、9＃煤上方，7＃煤位于9＃煤上方，7＃煤和9＃煤已經先于其上位的2＃煤采完，因此2＃煤先后受到下部7＃、9＃煤開采的兩次上行采動影響，屬上行開采。對于上行開采的可行性，國內外研究較多，理論判別方法也多適用于兩層煤間。而本次開采，其在時間上超前于2＃煤進行二次不均衡開采，所以受二次采動影響的2＃煤完整性未知，運用已有的理論判別方法判別時有很大的局限性，需借助其他研究方法。

本文在對巖層進行關鍵層判斷的基礎上，通過FLAC有限元數值模擬研究方法，模擬2＃煤及其下部關鍵層的巖層破斷規律、破壞程度和塑性破壞區域，分析其應力場分布、位移變化和力學狀態，判斷2＃煤在二次采動后的完整性。實踐證明，數值模擬對2＃煤開采提供了理論基礎。

1 煤層概況

王莊礦主采煤層2＃煤、7＃煤和9＃煤厚度分別是2 m、3.33 m和3 m，煤層均屬半亮型氣煤，其中2＃煤埋深約為200 m，煤層傾角平均為21°，煤層頂板為砂泥巖或砂頁巖互層，中等穩定，水文地質條件簡單，老空區無積水；7＃煤頂板為石英砂巖，底板為砂泥巖；9＃煤頂板為細砂巖，底板為砂泥巖。7＃、9＃煤層間距最小為7.1 m，最大為15 m。巖層的巖石物理力學指標見表1。

表1 煤巖層頂底板巖層物理力學參數

2 關鍵層計算

關鍵層的變形破斷規律及其運動過程中與上下巖層間的相互耦合作用，對于研究地表沉陷或者說煤層群上位煤層的巖層移動、下沉曲線和破壞情況提供理論分析依據，因為關鍵層的破斷與變形，將會導致上覆載荷巖層相互協調變形一致即整體運動。因此對于關鍵層位置的判別是研究其上覆巖層移動規律的基礎。

根據關鍵層理論計算，通過剛度判別和強度判別，判別結果見表2及圖1。因主關鍵層位于2＃煤上方，因此不做研究，下文所述關鍵層均指亞關鍵層。

表2 關鍵層判別計算結果匯總表

圖1 關鍵層判別結果圖

3 二次上行開采數值模擬分析

采用FLAC數值模擬軟件模擬7＃煤和9＃煤在開采過程中其覆巖亞關鍵層和2＃煤的煤巖層變形規律。整個數值模型示意圖如圖2所示，模型尺寸130 m×150 m，工作面推進長度為90 m，兩邊各留20 m的邊界煤柱。2＃煤層老頂細砂巖上部的巖層重量按照垂直補償應力施加2 MPa。

7＃、9＃煤實際開采過程中，平均推進速度為3.5 m／d。模擬中開采3.5 m作為一次推進長度，即為一個小循環，通過控制時步，待其上覆巖層及其頂板巖層得到一定的應力釋放后再進行下一個循環。為了便于研究，數值模擬追蹤記錄亞關鍵層A點、B點與2＃煤C點、D點位移變化，A、B、C、D 4點的位置如圖2所示。

圖2 數值模擬模型示意圖

3.1 7＃煤一次采動效應

3.1.1 應力效應

7＃煤開采作用效應見圖3（a）所示，分析可知7＃煤垂直原巖應力為5.1 MPa，工作面前方大約30 m范圍達1.9610 MPa，至煤壁范圍內應力狀態為增壓區，其中煤壁前方大約5 m處最大應力達到2.9415 MPa，至煤壁形成極限平衡區，支承壓力在工作面前方約50 m范圍達1.575 MPa，分布范圍延伸至煤體內支承壓力影響逐漸減小，漸形成彈性區。

圖3 7＃煤開采作用效應

由于煤層開采后將引起上覆巖層的移動與破斷，從而在覆巖中形成采動裂隙。如圖3（b）所示，垂直應力在2＃煤的左右兩側相對中部較大，然而兩側的最大值僅為2.6 MPa，相當于其原巖應力 （2.35 MPa）的1.11倍，煤層中部垂直應力處于原巖應力水平。因此2＃煤受下部7＃煤開采的采動應力作用不明顯，基本位于原巖應力狀態。

3.1.2 位移效應

在7＃煤開采過程中，亞關鍵層追蹤點A、B和2＃煤追蹤點C、D 4點的位移變化曲線如圖4所示。

巖層移動由下向上成組運動，即關鍵層下沉變形時，其上覆全部或局部巖層的下沉量同步協調，且變化率較小。2＃煤追蹤點的垂直變形曲線與亞關鍵層追蹤點的垂直位移變形曲線形狀基本相似，且趨勢大體一致。巖層移動過程中，2＃煤僅僅是相當于亞關鍵層的一層載荷，其C7、D7追蹤點位移變化曲線的斜率小于A7、B7點的曲線斜率，即vA＞vC、vB＞vD（v為變形速率）。由此可見，在關鍵層存在的情況下，巖層移動特點是關鍵層上位巖層的變形是越向上越緩慢，其垂直位移的運動與關鍵層保持同步。7＃煤開采后，2＃煤的局部最大破壞變形較小，約為45 mm，且其變形較緩，對2＃煤的采動影響不明顯。

圖4 追蹤點垂直位移曲線圖

3.2 9＃煤二次采動效應

9＃煤的開采滯后于7＃煤，距離7＃煤平均為11 m，且隨著7＃煤的開采，其上覆巖層原應力狀態被破壞，進行重新分布。由此9＃煤在開采時作為二次上行開采對亞關鍵層與2＃煤的破壞原因主要分析垂直應力、垂直位移變形大小以及塑性分布。

3.2.1 二次采動應力效應

數值模擬模型中，9＃煤開采后，垂直應力在采空區左右兩側相對中部較大，并且垂直應力向上呈遞減趨勢。遞減到2＃煤層所在區域時，垂直應力在2＃煤層中部較左右兩側相對較大，但是其值也僅稍高于原巖應力，而左右兩側范圍垂直應力均與原巖應力相同。9＃煤的二次采動雖使上覆巖層垂直應力疊加，但未能造成2＃煤局部應力集中，即對2＃煤采動影響較小。

3.2.2 塑性破壞與位移變化

（1）塑性破壞區。模擬和實測研究表明，關鍵層運動對離層的產生、發展與時空分布起控制作用，沿工作面推進方向，關鍵層下離層動態分布呈現兩階段發展規律。第一階段，關鍵層初次破斷前，隨著工作面推進，離層量不斷增大，最大離層位于采空區中部。關鍵層初次破斷后，關鍵層在采空區中部離層趨于壓實，而在采空區兩側仍各自保持一個離層區。

圖5 二次采動時追蹤點垂直位移曲線圖

第二階段，隨著9＃煤工作面的推進，通過數值模擬判斷，亞關鍵層下部一層厚度為1.8 m的巖層，其所受剪切力逐漸增大，達到屈服極限，產生塑性破壞區，使其與上覆亞關鍵層產生離層，但亞關鍵層仍處于彈性變形狀態，未產生破斷，2＃煤處于彈性階段，受破壞程度較小，即7＃煤、9＃煤二次上行開采對2＃煤的破壞影響有限。

（2）位移變化。9＃煤開采后，對亞關鍵層測點A9、B9和2＃煤的測點C9、D9位移進行記錄，9＃煤采動垂直位移如圖5所示。

從9＃煤開采到結束，亞關鍵層與2＃煤追蹤的4點位移變化范圍分別為0～0.065 m和0～0.002 m，2＃煤隨著應力場和塑性區的二次分布，其煤層變化再次與亞關鍵層同步協調變形，且變形速率遠小于一次采動。二次擾動的影響僅僅表現在對亞關鍵層和2＃煤的位移增加量，前者最大為70 mm，后者僅為50 mm。處于彈性區的2＃煤，變形量小，受破壞區較小，數值模擬結果證明上行開采是可行的，數值模擬為其開采提供了理論和試驗依據。

4 現場實踐

7＃煤和9＃煤開采后，對2＃煤進行回采。2121工作面是2＃煤二采區的第一個綜采工作面，工作面長度為150 m，在其回采期間對軌道巷進行表面位移觀測，觀測數據如圖6所示。

圖6 表面位移曲線圖

由圖6可以看出，工作面正常回采期間，工作面前方回采巷道受動壓影響頂底板總的移近量約45 mm，兩幫移近量在50 mm以內；在工作面推進至距離測站9～10 m左右時，巷道圍巖移近速度突然增加，期間變形量達到15～32 mm，說明9～10 m為工作面采動劇烈影響區；距離工作面10～35 m范圍內，巷道圍巖移近量有所增大，但是移近速度比較平緩，說明該范圍為超前采動顯著影響區；距離工作面35～60 m范圍內，巷道圍巖變形量比較小，變形速度也不明顯；69 m以外，巷道幾乎沒有受采動影響的變形現象。

由礦壓觀測可知，在工作面回采過程中，巷道表面位移變形量最大 也才50 mm，變形量較小，煤層及巷道頂底板均保持一定的穩定性，取得了很好的效果。因此，下部7＃、9＃煤層的二次上行開采，對2＃煤的回采影響較小。

5 結語

（1）以巖層控制相關理論為基礎，研究2＃煤受下部7＃煤、9＃煤上行開采后的開采可行性，表明上覆巖層的位移變化規律與關鍵層的變化是同步協調的，且變形和其變形速率沿覆巖向上呈遞減趨勢。因此必須對關鍵層的圍巖狀態、巖層控制進行研究，是現場實踐取得成功的決定性因素。

（2）數值模擬表明盡管關鍵層下位巖層出現離層，但是由于關鍵層未能破斷，2＃煤仍處于其彈性變形階段內，因此7＃、9＃煤的開采對2＃煤的破壞有限。礦壓觀測也表明，2＃煤未能有較大破碎帶，回采效果較好。

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［5］許家林，錢鳴高.關鍵層運動對覆巖及地表移動影響的研究 ［J］.煤炭學報，2000 （2）

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Research on impact of secondary upward mining of coal seams on upper coal seam

Ma Jingong，Hao Wandong
（Taiyuan Institute of China Coal Technology and Engineering Group，Taiyuan，Shanxi 030006，China）

The to-be-mined 2＃coal seam in Wangzhuang Mine has been twice affected by the mining of 7＃and 9＃seams below，so it needs to make a research on the feasibility of its upward mining.Based on the correlated theories of strata control，using numerical simulation method，the paper analyzes the movement regularity and failure features of the overlying strata，especially the key strata and 2＃coal seam under the impact of secondary mining of lower seams，which will provide evidence for the upward mining feasibility of the 2＃coal seam.The numerical simulation research shows that though affected twice by lower mining seams，the 2＃coal seam is still in the elastic deformation stage，so it is feasible to conduct the upward mining，which has achieved good effectiveness in field practice.

coal mining，upward mining，numerical simulation，secondary mining，plastic failure，elastic deformation

TD823.2

A

馬進功 （1986-），男，山西汾陽人，中國礦業大學采礦工程碩士研究生，助理工程師，主要從事短壁機械化開采工藝和配套、邊角煤回收及礦山壓力與巖層控制方面的研究。

（責任編輯 張毅玲）