急傾斜煤層上行開采可行性研究

何 攀，康 虹

四川廣旺能源發(fā)展（集團(tuán)）有限責(zé)任公司趙家壩煤礦

急傾斜煤層上行開采可行性研究

何 攀，康 虹

四川廣旺能源發(fā)展（集團(tuán)）有限責(zé)任公司趙家壩煤礦

針對趙家壩煤礦9#煤層上行開采對7#煤層影響等問題，通過現(xiàn)場資料收集，理論分析結(jié)合實(shí)驗(yàn)室數(shù)值分析及相似模擬，并結(jié)合現(xiàn)場探測，確定覆巖的采動(dòng)影響范圍、巖層移動(dòng)角、“三帶”的劃分、7#煤層破壞程度等；通過數(shù)值模擬9#煤層覆巖的變形破壞形態(tài)，模擬7#煤層走向和傾斜的下沉曲線，模擬采動(dòng)應(yīng)力場的分布規(guī)律，確定7#層及其底板的破壞程度，驗(yàn)證上行開采安全性及可行性。

急傾斜；上行開采；上覆巖層；采動(dòng)應(yīng)力場

引言

我國煤礦在開采煤層群時(shí)，一般采用下行開采。上行開采是一種特殊的開采方法，其優(yōu)點(diǎn)是：準(zhǔn)備時(shí)間短，出煤快；當(dāng)煤層頂板含水時(shí)，對上部煤（巖）層可起到疏導(dǎo)水的作用；有利于排除工作面內(nèi)的積水等優(yōu)點(diǎn)。在煤炭市場低迷時(shí)期，煤炭企業(yè)大面積虧損，資金緊缺，投入不足，若先采下部煤質(zhì)好、生產(chǎn)能力大的主采煤層，可減少當(dāng)前企業(yè)虧損。

近年來，隨著礦井開采深度的增加，深井高應(yīng)力難采煤層下行開采中存在頂板管理困難，推進(jìn)速度慢，影響下部煤層的開采和接替；回采巷道變形破壞嚴(yán)重，支護(hù)難度大，維護(hù)困難；沖擊地壓危險(xiǎn)性大，煤與瓦斯突出。而上行開采在解決上述問題上具有獨(dú)特的作用。因此研究上行開采技術(shù)，并使得其取得良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果對拓寬開采工藝的適用范圍、發(fā)揮其開采潛力，提高礦井機(jī)械化開采水平、經(jīng)濟(jì)效益和煤炭采出率有重要的意義。

1 地質(zhì)情況概況

9#煤層屬于較穩(wěn)定煤層，采區(qū)內(nèi)該煤層厚0.68-1.30m，平均煤厚1.05m，夾矸3-6層，煤層硬度系數(shù)1-2，偽頂為灰色泥巖，直接頂為灰色泥質(zhì)粉砂巖夾碳質(zhì)泥巖，直接底為細(xì)砂巖夾泥巖和碳質(zhì)泥巖，煤層傾角47°～55°之間，平均傾角為50°，從104采區(qū)降標(biāo)高石門及104采區(qū)下部車場石門揭露情況來看，采區(qū)內(nèi)由+340m水平向+115m水平延伸煤層傾角呈逐漸減小的趨勢。

7#煤層屬于較穩(wěn)定煤層，采區(qū)內(nèi)該煤層厚度0.44～0.64m，平均煤厚0.53m，夾矸1～6層，偽頂為灰黑色泥巖及碳質(zhì)泥巖夾煤線，直接頂為雜色礫巖，直接底為灰色泥質(zhì)粉砂巖夾碳質(zhì)泥巖，煤層硬度系數(shù)1～2，煤層傾角與9#煤層一致。7#煤層與9#煤層之間的間距為22.8m。

2 上行開采覆巖破壞規(guī)律及可行性分析

2.1 覆巖破壞與圍巖平衡

在原始應(yīng)力區(qū)和煤壁支撐區(qū)，由于受工作面前方煤壁和上方巖層的支撐作用，上部巖層水平拉伸變形，下部巖層壓縮變形劇增；非平衡帶巖層主要是直接頂巖層，它在采空區(qū)冒落的矸石，不能傳遞有規(guī)律的水平力，位于這帶范圍內(nèi)的煤（巖）層將遭受嚴(yán)重破壞；準(zhǔn)平衡帶巖層主要是指裂隙帶的下位巖層，形成“煤壁——支架——矸石”為支撐體系的巖層結(jié)構(gòu)，斷裂巖塊相互鉸接，始終能向煤壁前方和采空區(qū)矸石傳遞水平力，呈明顯的周期性運(yùn)動(dòng)，在開采過程中斷裂巖塊有臺(tái)階式的錯(cuò)動(dòng)，這帶范圍內(nèi)的煤（巖）層會(huì)受到明顯破壞，但采空區(qū)矸石壓實(shí)后臺(tái)階下沉又可恢復(fù)并形成平衡巖層結(jié)構(gòu)；平衡帶巖層是指裂隙帶中上位及以上巖層，它形成“煤壁及其上部巖體——矸石”為支撐體系的平衡巖層結(jié)構(gòu)，周期性運(yùn)動(dòng)不明顯，巖層自身可形成平衡結(jié)構(gòu)。平衡巖層結(jié)構(gòu)能阻止上覆巖（煤）層縱向呈現(xiàn)臺(tái)階式錯(cuò)動(dòng)，因此，當(dāng)上部煤層位于距下部煤層最近的平衡巖層之上時(shí)，可采用上行開采。

2.2 上行開采可行性分析

2.2.1 比值判別法

9#煤層工作面位于7#煤層工作面下方，其對7#煤層工作面的采動(dòng)影響系數(shù)K為15.2。為保障上行開采的安全性及可行性，此處選取煤層最大開采高度，開采高度為1.5m。兩層煤之間巖性基本上為砂質(zhì)泥巖，是中硬巖層，K>7.5就可上行開采，可知上行開采可行。

2.2.2 “三帶”判別法

覆巖破壞高度和破壞特征,是衡量上行開采時(shí)對上部煤層采動(dòng)影響的主要標(biāo)志。7#煤層與9#煤層間距為22.8m，因此7#煤層處于9#煤層開采后形成的裂縫帶上部附近，7#煤層受破壞程度較小，出現(xiàn)一些微小不聯(lián)通的裂隙。采取一定安全措施之后可正常進(jìn)行上行開采。

2.2.3 圍巖平衡法

在回采過程中，能夠形成不發(fā)生臺(tái)階錯(cuò)動(dòng)的平衡巖層結(jié)構(gòu)的巖層稱為平衡巖層。上煤層的開采應(yīng)在下煤層開采引起的巖層運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定之后進(jìn)行；上行開采必要的層間距H可根據(jù)與9#煤層采高、巖石碎脹系數(shù)和平衡巖層厚度的關(guān)系得出為9.84m左右。7#煤層與9#煤層間距22.8m，位于平衡巖層上方，9#煤層開采后，7#煤層自身可形成平衡巖層結(jié)構(gòu)，層間不發(fā)生臺(tái)階錯(cuò)動(dòng)，上行開采可正常進(jìn)行。

2.2.4 時(shí)間間隔判定

根據(jù)《三下采煤規(guī)程》：可根據(jù)最大下沉點(diǎn)的下沉與時(shí)間關(guān)系曲線和下沉速度曲線求得。無實(shí)測資料時(shí)，地表移動(dòng)的延續(xù)時(shí)間T可根據(jù)下式計(jì)算：T=2.5H0（d），H0為工作面平均采深，此處為7#和9#煤層的層間距22.8m，則上下煤層的開采間隔時(shí)間不小于T=2月。

3 數(shù)值分析論證可行性

通過分析3DEC數(shù)值模擬分析得出，該模型能夠較為全面地反映出工作面開采后采場的礦壓規(guī)律，由于大傾角煤層走向、傾向方向上表現(xiàn)出與近水平緩傾斜煤層較大不同的礦壓規(guī)律。

4 結(jié)論

通過研究9#煤層工作面開采上覆巖層破壞、離層和垂直壓力、位移情況，得到7#煤層變形破壞情況，得出以下結(jié)論：9#煤層開采后，綜合確定取垮落帶高度為4.2m；綜合分析三種方法取裂隙帶高度19.4m；9#煤層開采后，7#煤層位于彎曲下沉帶內(nèi)，7#煤層有少量的與頂?shù)装宀回炌ǖ牟蓜?dòng)裂隙，7#煤層沿走向和傾向的下沉量曲線都為連續(xù)的平滑曲線，7#煤層沒有產(chǎn)生臺(tái)階下沉等突變現(xiàn)象，上行開采可行；7#煤層在傾斜方向的采動(dòng)影響長度100m，綜合三種方法考慮取巖層移動(dòng)角650；上山移動(dòng)角990，走向移動(dòng)角6800；將巷道布置在應(yīng)力集中邊界角以內(nèi)，處于應(yīng)力降低區(qū)，但煤（巖）體已產(chǎn)生不同程度的破壞，將巷道布置在應(yīng)力集中邊界角以外，處于應(yīng)力集中區(qū)，煤（巖）體破壞程度小但應(yīng)力高；綜合三種方法考慮下山充分采動(dòng)角取200；上山充分采動(dòng)角取740；充分采動(dòng)角取400。按充分采動(dòng)角劃定的7#煤層充分采動(dòng)區(qū)傾斜長度為30.39m，該區(qū)域位于9#煤層采空區(qū)的中上部，該區(qū)域內(nèi)的7#煤層恢復(fù)原始產(chǎn)狀，最大下沉量0.43m。將7#煤層的回采巷道和回采工作面布置在該區(qū)域內(nèi)則巷道維護(hù)和工作面回采受到的影響最小，為了擴(kuò)大該區(qū)域的傾斜寬度，應(yīng)在9#煤層開采兩個(gè)區(qū)段后再開采7#煤層，且9#煤層不得留設(shè)區(qū)段煤柱。

何攀（1973-），男，四川南江人，大學(xué)本科學(xué)歷，畢業(yè)于西安科技大學(xué)，采礦高級(jí)工程師，現(xiàn)任趙家壩煤礦生產(chǎn)副礦長。