近距離煤層上行開采可行性研究

王驥俊

(山西汾西礦業集團柳灣煤礦，山西 孝義 032300)

通過論述首采區概況，采用“三帶”判別法和圍巖平衡法等方法計算并分析了3下煤層開采后，3上煤層的上行開采可行性，分析結果表明，當3上煤層和3下煤層層間距與3下煤層采高比值小于4.5時，3上煤層不能進行上行開采，當層間距與采高比值大于4.5時，采取一定安全技術措施后，可進行上行開采。

近距離煤層；上行開采；可行性

上行開采可行性是指位于上部的煤層，在受到下部煤層回采后頂板冒落所產生巖層移動的影響之后，仍具備完整性[1-2]。這主要決定于煤層層間距與下煤層采厚比值(柱厚與采厚比)、層間巖性及結構、下部煤層的開采方法及采出率、上下煤層先后開采時間間隔等因素。本文就上述的判定方法，按照礦井的實際地質及技術條件，對首采區3上煤層上行開采的可行性進行論證。

1 工程概況

礦井二水平首采區南北邊界均為煤焦分界線，即南起37勘探線以南400 m，北至30勘探線，西起3煤層露頭，東至南北兩翼大巷及工廣保護煤柱。南北最長約6 300 m，東西最寬處約3 700 m。首采區東南與四采區相鄰，東北與五采區相鄰，西南與二采區相鄰，西北與三采區相鄰，相鄰采區均未采。區內主要可采煤層為3上煤層和3下煤層，煤層開采上限標高-600 m，開采下限標高-844 m。

1.1 首采區煤層概況

1) 3上煤層

3上煤層為3煤層分叉后的上分層。位于山西組中下部，上距石盒子組B層鋁土巖77.34 m～97.06 m，平均87.21 m；下距3下煤層0 m～27.29 m，平均17.27 m；距太原組三灰58.71 m～89.30 m，平均74.80 m；分布于礦區中東部，煤層厚度0 m～3.50 m，平均1.04 m。除礦區中部和東南部分別出現沖刷區和巖漿巖吞蝕區外，其余地段均可采，可采區平均煤厚1.62 m?？刹尚灾笖?.61，面積可采系數59%，煤厚變異系數34%，屬大部可采的較穩定薄煤層，可采區范圍內煤層穩定。含0層～2層夾矸，夾矸巖性為炭質泥巖、泥巖或巖漿巖，煤層結構較簡單。

2) 3下煤層

3下煤層為礦井主采煤層，由3煤層合并區(命名為3煤層)及分叉區的下分層(命名為3下煤層)共同構成。位于山西組中下部，下距三灰51.29 m～73.24 m，平均57.49 m，距15上煤層124.32 m～137.88 m，平均126.44 m；煤層厚度0 m～7.92 m，平均3.63 m，除零星分布的沖刷區和巖漿巖吞蝕區外，幾乎全區分布，可采區平均煤厚3.84 m?？刹尚灾笖?.93，面積可采系數93%，煤厚變異系數49%，屬大部可采的較穩定厚煤層，可采區范圍內煤層穩定。多數含0層～2層夾矸，僅個別點(127、J-10、223鉆孔)含4層～6層夾矸，夾矸巖性為炭質泥巖、泥巖；G-33、L9鉆孔受巖漿巖侵蝕，分別含5層巖漿巖夾矸，煤層結構較簡單。

1.2 首采區煤層頂底板情況及煤層間距

3上煤層和3下煤層位置示意圖如圖1所示。

圖1 3上煤層和3下煤層位置示意圖

3煤層頂板：偽頂為泥巖、粉砂巖或炭質泥巖，厚0.21 m～0.65 m，直接頂板多為粉砂巖，厚0.75 m～13.73 m，巖石抗壓強度為39.3 MPa～148.2 MPa；次為泥巖，厚0.88 m～4.55 m，巖石抗壓強度38.0 MPa～110.6 MPa；局部為細、中砂巖；老頂厚2.50 mm～27.8 mm，主要為細砂巖和中砂巖。在巖漿巖侵蝕區煤層頂板常為煌斑巖或蝕變煌斑巖，硬度較大，裂隙較發育。

3上煤層頂板：以中、細砂巖為主，厚2.77 m～19.02 m；次為泥巖，厚0.75 m～4.36 m；偶見炭質泥巖偽頂。

3上煤層底板：以粉砂巖為主，厚0.78 m～10.90 m；次為泥巖，厚0.95 m～6.20 m；偶見炭質泥巖偽底。

3下煤層頂板：以中、細砂巖為主，厚1.44 m～17.79 m；次為泥巖，厚0 m～2.89 m；偶見炭質泥巖偽頂。

3下煤層底板：主要為泥巖、炭質泥巖，厚0.72 m～6.19 m，多數在±2 m；其次為粉砂巖，局部塊段為細砂巖，偶見泥巖、炭質泥巖偽頂；在首采區的1302綜采面揭露的底板泥巖或粉砂巖平均厚度為6 m～8 m。

3上煤層和3下煤層間距為0.78 m～27.29 m，平均間距為17.27 m，由南向北逐漸減小，合并為3煤層。

2 上行開采基本層間距

上行開采的基本層間距H是指可實行上行開采最基本的層間距離，它與下位煤層的采高M有關，可用其比值來表達[3]。依據準平衡帶的滑落穩定條件、井下探測及物理模擬研究得到的覆巖裂隙與結構的分帶發育規律，可以確定上行開采基本層間距的比值。

覆巖平衡帶內能夠形成不發生臺階錯動的平衡巖層結構，準平衡帶內滿足滑落穩定條件時也能形成平衡巖層結構，從下煤層頂板至最近的平衡巖層頂部的高度稱為圍巖平衡高度。當上覆巖層中有堅硬、中硬巖層時，上煤層應位于下煤層圍巖平衡高度之上，或煤層底板作為平衡巖層結構的承載層，煤層處于負載層位置，由此，上行開采的基本層間距可按式(1)求出[4]。

H≥hp-M

(1)

式中：hp為圍巖平衡高度，m；M為下位煤層的采高，m。

準平衡巖層是否發生滑落失穩、導致層間錯動，這是確定上行開采基本層間距的關鍵。在深部上行開采時，準平衡巖層的平衡條件會發生的變化，相應的深部上行開采條件與淺部的差異，必須進行相應的力學分析。

根據關鍵層理論的關鍵塊穩定性分析[5]，砌體梁結構的關鍵塊可能發生滑落失穩及轉動變形失穩。在上行開采中，巖層結構的滑落失穩與轉動變形失穩，會影響結構的連續性，產生層間錯動，嚴重制約上行開采。通常，巖層結構滑落穩定條件高于回轉變形穩定條件，尤其中深井高地壓作用下(采空區允許下沉高度降低、巖塊破斷后的回轉角θ1減小)更加如此。因此，上行開采準平衡巖層的穩定性問題，就是結構的滑落穩定分析。結構滑落穩定條件為式(2)。

(2)

式中：M0為載層(支托層)厚度，m；M′為承載層所負載巖層厚度，m；σc為承載層的抗壓強度，MPa；γ為層的容重，kN/m3；t為塊間的摩擦系數，一般取0.3；θ1為懸露巖塊斷裂后的回轉角。

而回轉角的大小取決于采高M、冒高Mm、期來壓步距C及冒落巖石碎脹系數KA，即式(3)。

(3)

取tgφ=0.3，Hm=3.3M，KA=1.25，γ=0.025MNm-3由式(2)、(3)得到滑落穩定條件為式(4)。

(4)

進入深部開采以后，由于深部高地壓的作用，煤壁破碎區寬度明顯擴展，煤壁壓縮變形十分突出，導致準平衡巖層結構明顯沉降、采空區底板發生明顯的底臌變形，從而使準平衡巖層的允許下沉高度明顯縮小，即式(5)。

(5)

式中：ξ為準平衡巖層允許下沉高度的折減系數，ξ<1。

由式(2)、(4)得到深部開采的準平衡巖層滑落穩定的條件為式(6)。

(6)

針對3下煤層條件，取M=3.5 m，C=16 m,σc=62.36 MPa，則滑落穩定條件可簡化為式(7)。

(7)

表1 滑落穩定條件與ξ的關系

根據準平衡巖層滑落穩定條件分析，當結構承載層與負載層厚度之和小于某一極限值時，準平衡巖層不會發生滑落失穩與層間錯動。在深部開采時，若下位煤層采高M為3.5 m，層間巖性為中硬巖層，則極限值為6.5 m左右。當準平衡巖層承載層厚度為4.9 m、作為負載層的上位煤層厚度為1.6 m，即上位煤層處于準平衡結構內，也能夠滿足滑落穩定條件。

可以實行上行開采。因此，深井近距煤層上行開采的基本層間距為非平衡帶高度2.9 m(此高度由礦上采掘資料得知)加上準平衡巖層承載層厚度1.6 m，即基本層間距為4.55 m。

綜合上述分析，可以確定深井近距煤層上行開采的基本層間距為4.5 m，即H/M=4.5。其物理力學含義為：近距離上位煤層底板為準平衡結構的承載層、煤層為負載層。

3 首采區3上煤層上行開采可行性

3.1 “三帶”判別法

當上、下煤層的層間距小于或等于下煤層的垮落帶高度時，上煤層整體性將遭到嚴重破壞，無法進行上行開采。當上、下煤層的層間距小于或等于裂隙帶高度時，上煤層整體性只發生中等程度的破壞，采取一定安全措施后，可正常進行上行開采；當上、下煤層的層間距大于下煤層的裂隙帶高度時，上煤層只發生整體移動，整體性不受破壞，可正常進行上行開采。上煤層的開采應在下煤層開采引起的巖層移動穩定之后進行[5]。

不同傾角、不同巖性的巖層及其不同組合的覆巖，其移動及破壞規律不同。對于緩斜煤層，當煤層頂板覆巖內為堅硬、中硬、軟弱、極軟弱巖層或其互層時，垮落帶最大高度屆。可按表2中的公式計算。煤層頂板覆巖內為堅硬、中硬、軟弱、極軟弱巖層或具五層時，裂隙帶最大高度按第115頁表3公式計算。

表2 垮落帶高度計算公式

根據表2中公式計算出不同頂板巖層和采厚的裂隙帶高度，列于第115頁表4。

根據上述計算方法，再結合礦井首采區的煤層賦存條件及覆巖巖性，3下煤層開采后形成的垮落帶高度和裂隙帶高度計算公式如式(8)、式(9)。

垮落帶：

(8)

裂隙帶：

(9)

3下煤層煤厚變化范圍為0.73 m～4.31 m，平均為3.5 m，累計采高∑M可取3.5m，代入式(8)和式(9)可得出，3下煤層開采后垮落帶和裂隙帶高度范圍分別為7.67m～12.07m和32.44m～43.64m，垮落帶高度平均值約為10m，約為2.86倍采高，與上述非平衡帶高度為2.9倍采高相差不大。由于3上煤層與3下煤層層間距是變化的，變化范圍在0.78m～27.29m，當層間距為0.79m～10.00m時，3上煤層處于垮落帶內，不可上行開采；當層間距為10.00m～27.39m時，3上煤層處于下煤層開采后形成的裂隙帶內，需采取一定安全技術措施方可上行開采。

表4 不同頂板巖層和采厚的裂隙帶高度

3.2 圍巖平衡法

在煤層開采過程中，能夠形成不發生臺階錯動的平衡巖層結構的巖層，稱為平衡巖層。設圍巖平衡高度為從下煤層頂板至平衡巖層頂板的高度，則其上行開采的基本準則是：當采場覆巖中有堅硬巖層存在時，上煤層應處于距下煤層最近的平衡巖層位置以上；當采場覆巖均為軟巖時，上煤層應處于下煤層開采后所形成的裂隙帶內。上煤層的回采應在下煤層開采引起的巖層運動穩定之后進行。上行開采必要的層間距計算公式如式(10)所示。

(10)

式中：M為下層煤采高，m：K1為巖石碎脹系數，軟巖取1.1～1.2，中硬巖取1.2～1.3，硬巖取1.3～1.4；h為平衡巖層本身厚度。

按該礦一采區條件，平衡巖層厚度取平均值3m，K1取1.25，采高取3下煤層平均厚度值3.5m，則由式(10)可得上行開采所需的層間距值為17m，約為4.86倍采高，當3上煤層與3下煤層間距小于17m時，3上煤層整體性破壞嚴重，無法進行上行開采；反之，當層間距大于17m時，3上煤層處于裂隙帶內，煤層整體性和連續性只受到中等破壞，采取一定安全技術措施可進行上行開采。

由以上上行開采判別方法可知，當3上煤層和3下煤層層間距與3下煤層采高比值小于4.5時，3上煤層不能進行上行開采，當層間距與采高比值大于4.5時，采取一定安全技術措施后，可進行上行開采。

4 結論

近距離煤層在上層煤開采過程中對底板(下層煤頂板)進行破壞，破壞深度直接影響下層煤的開采安全性，文中針對3煤層的特殊性，首先，通過理論方面確定上行開采基本間距計算公式，而后，在礦井二水平首采面通過“三帶”判別法、圍巖平衡法進行裂隙帶發育高度計算，結果表明，層間距與采高比值大于4.5時，采取一定安全技術措施后，可進行上行開采。

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