煤層群接續(xù)開采方案優(yōu)選評(píng)價(jià)研究

劉縣委，張彥董，單成方，李亞鋒，王海洋，馬英建，郭宇鳴

（1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院,江蘇 徐州 221116；2.庫(kù)車縣榆樹嶺煤礦有限責(zé)任公司,新疆 庫(kù)車 842000）

0 引言

隨著我國(guó)中東部煤炭資源的枯竭，煤炭發(fā)展中心逐漸向西部轉(zhuǎn)移[1]。西部礦區(qū)煤炭資源豐富，煤層厚度大、層位多，西部礦區(qū)煤炭資源開采過(guò)程中，常常遇到多煤層開采的情況[2-4]。

下行開采和上行開采在多煤層開采中占有很大比重。不同的煤層群接續(xù)開采方案造成煤巖體應(yīng)力變化規(guī)律與圍巖變形情況存在很大差別。目前，圍繞煤層下行開采與上行開采，相關(guān)學(xué)者開展了大量工作。洛鋒等[5]研究了下行開采過(guò)程中煤層底板裂隙的發(fā)育規(guī)律與巖體的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，得出煤層底板應(yīng)力重新分布受到采空區(qū)壓實(shí)區(qū)和膨脹區(qū)的影響。馬振乾等[6]借助物理相似模擬與數(shù)值模擬方法，研究了多煤層重復(fù)采動(dòng)條件下煤層底板應(yīng)力和塑性區(qū)發(fā)育規(guī)律。馬立強(qiáng)等[7-8]研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)煤層采用上行開采時(shí)，下部煤層的開采會(huì)改變上部巖層破壞狀態(tài)與上部煤層礦壓分布規(guī)律。韓軍等[9]采用多元回歸分析法，得到上部煤層破環(huán)程度與煤層開采參數(shù)和采礦地質(zhì)條件之間的關(guān)系。李楊等[10]通過(guò)分析采動(dòng)影響系數(shù)對(duì)上行開采煤層破壞的影響規(guī)律，并采用間深比判別法，得到上行開采可行度的定量判別指標(biāo)。王寅等[11]通過(guò)理論分析和相似模擬，研究上行開采重復(fù)采動(dòng)下頂板結(jié)構(gòu)形態(tài)，得到煤層頂板“上行式開采三鉸拱”結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定與失穩(wěn)條件。但以上研究并未結(jié)合礦井的經(jīng)濟(jì)狀況來(lái)優(yōu)選煤層群接續(xù)開采方案。

本文以庫(kù)車縣榆樹嶺煤礦有限責(zé)任公司（以下簡(jiǎn)稱榆樹嶺礦）為研究背景，通過(guò)數(shù)值模擬分析上下行開采方案下接續(xù)煤層完整性、工作面應(yīng)力變化規(guī)律，并結(jié)合礦井經(jīng)濟(jì)效益優(yōu)選榆樹嶺礦煤層群接續(xù)開采方案；利用層次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP）和模糊數(shù)學(xué)理論[12-13]對(duì)優(yōu)選結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

1 礦井概況

1.1 地質(zhì)條件

榆樹嶺礦井田區(qū)域內(nèi)可采煤層共4 層，自上而下分別為下5、下7、下8 與下10 煤層，煤層平均傾角為10°，各煤層平均厚度分別為9.20，3.00，0.98，6.88 m。地面標(biāo)高為1 793～1 834 m，下5 煤層標(biāo)高為1 653～1 688 m，平均埋深約為105 m，煤層平均密度為1.29 t/m3，上覆巖層平均密度為2.48 t/m3，下5 與下7、下8、下10 煤層間距分別為34，48，94 m。煤巖層地質(zhì)柱狀圖如圖1 所示。

圖1 煤巖層地質(zhì)柱狀圖Fig.1 Geological column of coal strata

1.2 開采現(xiàn)狀及接續(xù)問(wèn)題

目前礦井主采煤層為下5 煤層，下5 煤層布置110501 工作面和110503 工作面。與下5 煤層相鄰的下7、下8 煤層厚度與下5 煤層相差較大，在當(dāng)前沒(méi)有準(zhǔn)備配采工作面的情況下-若采用下行開采，直接接續(xù)下7、下8 煤層難以保障礦井產(chǎn)量；若優(yōu)先接續(xù)較厚的下10 煤層，形成上行開采，能有效解決下行開采難以保障礦井生產(chǎn)能力和經(jīng)濟(jì)效益的問(wèn)題，但上行開采的安全性未知，尤其是上行開采影響上部煤層結(jié)構(gòu)完整性和工作面應(yīng)力變化規(guī)律不清楚。因此，亟需對(duì)煤層群接續(xù)開采方案進(jìn)行優(yōu)選研究。

2 不同開采方案下煤層完整性及應(yīng)力變化規(guī)律

2.1 數(shù)值模型

根據(jù)榆樹嶺礦巖層地質(zhì)柱狀圖，結(jié)合實(shí)驗(yàn)室?guī)r石力學(xué)參數(shù)測(cè)試結(jié)果，并考慮礦井目前開采狀況，建立220 m×240 m×153 m（長(zhǎng)×寬×高）的數(shù)值模型，如圖2 所示。模型建至下5 煤層上部厚度約為20 m 的基本頂處，基本頂上部至地表85 m 的巖層由模型頂部施加的2.11 MPa 地應(yīng)力代替。模型四周固定水平位移，底面固定垂直位移，整體施加重力加速度9.8 m/s2。模型中工作面傾斜長(zhǎng)度為160 m，推進(jìn)距離為120 m。為減小模型邊界效應(yīng)影響，模型中工作面傾向方向左右兩側(cè)各留設(shè)40 m 邊界，工作面推進(jìn)方向前后兩側(cè)各留設(shè)50 m 邊界。模型煤巖層參數(shù)見(jiàn)表1。

圖2 數(shù)值模型Fig.2 Numerical model

表1 模型煤巖層參數(shù)Table 1 Coal strata parameters of model

采用FLAC3D 數(shù)值軟件模擬下行開采和上行開采時(shí)，下7、下8 煤層完整性和工作面應(yīng)力變化規(guī)律。數(shù)值模擬方案：①下行開采。開挖下5 煤層，運(yùn)行模型至巖層穩(wěn)定，再依次開挖下7、下8 煤層。② 上行開采。開挖下5 煤層，運(yùn)行模型至巖層穩(wěn)定后，開挖下10 煤層，再次運(yùn)行模型至巖層穩(wěn)定，最后依次開挖下7、下8 煤層。

2.2 煤層完整性

針對(duì)煤層回采造成的煤層及各層煤間巖層完整性破壞規(guī)律，結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果，采用以下2 種方法進(jìn)行評(píng)價(jià)：①煤巖層塑性區(qū)發(fā)育情況。通過(guò)各煤巖層塑性區(qū)破壞形式和煤層上方塑性區(qū)發(fā)育高度來(lái)表征煤層完整性。② 工作面未破壞區(qū)占比。通過(guò)工作面傾斜方向上未發(fā)生塑性破壞的模塊數(shù)與工作面傾斜方向上總模塊數(shù)之比來(lái)表征煤層完整性。

以往研究表明，下行開采對(duì)煤層完整性的影響較小[14-15]，因此本文著重分析上行開采對(duì)下7、下8 煤層完整性的影響。

下7、下8 煤層塑性區(qū)分布分別如圖3、圖4 所示。下7、下8 煤層完整性表征參數(shù)見(jiàn)表2。

圖3 下7 煤層塑性區(qū)分布Fig.3 Distribution of plastic zone in lower No.7 coal seam

圖4 下8 煤層塑性區(qū)分布Fig.4 Distribution of plastic zone in lower No.8 coal seam

（1）下7 煤層完整性。由圖3 可知，下10 煤層開采穩(wěn)定后，下7 煤層主要以剪切破壞為主，破壞區(qū)域主要集中在工作面邊緣以內(nèi)80～85 m 的圓環(huán)區(qū)域。工作面推進(jìn)距離為30，60，90 m 時(shí)，下10 煤層上覆巖層塑性區(qū)發(fā)育平均高度為44.60 m，已知下10 煤層與下8、下7 煤層的間距分別為44.60，60.98 m，因此塑性區(qū)破壞導(dǎo)通至下8煤層，但并未發(fā)育至下7 煤層。由表2 可知，當(dāng)下7 煤層工作面運(yùn)輸巷、回風(fēng)巷與下10 煤層工作面運(yùn)輸巷、回風(fēng)巷平行布置時(shí)，下7煤層工作面傾向未破壞區(qū)占比平均值為56.4%，煤層破壞嚴(yán)重；當(dāng)下7 煤層工作面運(yùn)輸巷、回風(fēng)巷與下10煤層工作面運(yùn)輸巷、回風(fēng)巷內(nèi)錯(cuò)5 m 布置時(shí)，工作面未破壞區(qū)占比平均值為68.4%，煤層完整性有所改善，但煤層破壞仍較嚴(yán)重；當(dāng)下7煤層工作面運(yùn)輸巷、回風(fēng)巷與下10 煤層工作面運(yùn)輸巷、回風(fēng)巷內(nèi)錯(cuò)10 m布置時(shí)，工作面未破壞區(qū)占比平均值為87.5%，煤層塑性區(qū)破壞范圍有效降低，煤層完整性滿足工作面回采要求。

表2 下7、下8 煤層完整性表征參數(shù)Table 2 Integrity characterization parameters of lower No.7 and No.8 coal seams

（2）下8 煤層完整性。由圖4 可知，下7 煤層回采穩(wěn)定后，下8 煤層主要以剪切破壞與剪-拉破壞為主，破壞范圍主要集中工作面推進(jìn)方向兩側(cè)。對(duì)比圖3與圖4 中下8 煤層塑性區(qū)破壞范圍可知，下7 煤層回采并未使下8 煤層塑性區(qū)進(jìn)一步發(fā)育。由表2 可知，當(dāng)下8 煤層工作面運(yùn)輸巷、回風(fēng)巷與下10 煤層工作面運(yùn)輸巷、回風(fēng)巷內(nèi)錯(cuò)10 m 布置時(shí)，下8 煤層工作面傾向未破壞區(qū)占比平均值為60.4%，煤層完整性得到一定改善，滿足工作面安全回采要求。

2.3 工作面應(yīng)力變化規(guī)律

2.3.1 工作面應(yīng)力分布

下行開采和上行開采時(shí)，下7、下8 煤層工作面應(yīng)力分布分別如圖5、圖6 所示。

圖5 下7 煤層工作面應(yīng)力分布Fig.5 Stress distribution of lower No.7 coal seam working face

圖6 下8 煤層工作面應(yīng)力分布Fig.6 Stress distribution of lower No.8 coal seam working face

由圖5（a）可知，下7 煤層工作面中部出現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)，原因是下7 煤層工作面中部位于下5 煤層工作面充分采動(dòng)區(qū)下部，下5 煤層頂板垮落后采空區(qū)中部矸石壓實(shí)效果比四周更充分，應(yīng)力在中部聚集并傳遞到下7 煤層。由圖5（b）可知，下10 煤層工作面回采同樣導(dǎo)致下7 煤層工作面中部出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。對(duì)比圖5（a）和圖5（b）可知，上行開采時(shí)，下7 煤層工作面中部平均應(yīng)力為1.45 MPa，相較于下行開采時(shí)平均應(yīng)力（2.65 MPa）降低了45.3%。由此可見(jiàn)，上行開采可使上部煤層應(yīng)力得到充分釋放，為上部煤層開采提供了充分的安全條件。

對(duì)比圖6（a）和圖6（b）可知，上行開采時(shí)，下8煤層工作面平均應(yīng)力為1.23 MPa，相較于下行開采時(shí)工作面平均應(yīng)力（1.89 MPa）降低了34.9%，表明上行開采對(duì)下8 煤層具有一定的卸壓作用。

2.3.2 工作面支承應(yīng)力分布

下行開采和上行開采時(shí)，下7 煤層工作面不同推進(jìn)距離下支承應(yīng)力分布如圖7 所示。

圖7 下7 煤層工作面不同推進(jìn)距離下支承應(yīng)力分布Fig.7 Supporting stress distribution under different advancing distance of lower No.7 coal seam working face

由圖7（a）可知，當(dāng)下7 煤層工作面推進(jìn)20，40，60 m 時(shí)，工作面前方支承應(yīng)力峰值分別為6.39，7.06，7.58 MPa，受下5 煤層和本煤層回采雙重影響，支承應(yīng)力總體變化趨勢(shì)為先逐漸增大后逐漸減小；當(dāng)工作面推進(jìn)80，100，120 m 時(shí)，工作面前方支承應(yīng)力峰值分別為7.13，7.43，8.02 MPa，在采空區(qū)范圍內(nèi)支承應(yīng)力先增大后減小，在工作面前方支承應(yīng)力先增大再減小并趨于穩(wěn)定。

由圖7（b）可知，當(dāng)工作面推進(jìn)20 m 時(shí)，工作面前方支承應(yīng)力峰值為3.64 MPa；當(dāng)工作面推進(jìn)40，60，80 m 時(shí)，工作面前方支承應(yīng)力峰值分別為2.35，2.74，3.51 MPa，從開切眼至終采線范圍內(nèi)支承應(yīng)力變化可分為采空區(qū)低應(yīng)力穩(wěn)定區(qū)、采空區(qū)應(yīng)力升高區(qū)、工作面應(yīng)力降低區(qū)、工作面實(shí)體煤側(cè)應(yīng)力升高區(qū)和終采線側(cè)應(yīng)力降低區(qū)；當(dāng)工作面推進(jìn)100，120 m 時(shí)，工作面前方支承應(yīng)力峰值分別為3.53，5.91 MPa，由于采空區(qū)垮落的矸石被壓實(shí)，應(yīng)力可有效傳遞，采空區(qū)出現(xiàn)應(yīng)力升高現(xiàn)象。

對(duì)比圖7（a）和圖7（b）可知，相較于下行開采，上行開采下工作面推進(jìn)20，40，60，80，100，120 m 時(shí)，工作面前方支承應(yīng)力峰值分別減少了43.0%，66.7%，63.9%，50.8%，52.5%，26.3%，表明采用上行開采可有效改善上部煤層應(yīng)力環(huán)境。

下行開采和上行開采時(shí)，下8 煤層工作面不同推進(jìn)距離下支承應(yīng)力分布如圖8 所示。

圖8 下8 煤層工作面不同推進(jìn)距離下支承應(yīng)力分布Fig.8 Supporting stress distribution under different advancing distance of lower No.8 coal seam working face

由圖8（a）可知，當(dāng)下8 煤層工作面推進(jìn)20，40，60，80 m 時(shí)，工作面前方支承應(yīng)力峰值分別為3.51，4.54，5.45，4.95 MPa，受本煤層和下7 煤層工作面回采應(yīng)力影響，工作面前方支承應(yīng)力先升高后逐漸降低，并在終采線附近降到最小；當(dāng)工作面推進(jìn)100，120 m時(shí)，工作面前方支承應(yīng)力峰值分別為5.60，7.64 MPa。

由圖8（b）可知，當(dāng)工作面推進(jìn)20，40 m 時(shí)，工作面前方支承應(yīng)力峰值分別為2.82，3.53 MPa，支承應(yīng)力呈先增大后減小再增大的趨勢(shì)；當(dāng)工作面推進(jìn)60，80，100，120 m 時(shí)，工作面前方支承應(yīng)力峰值分別為3.81，4.50，3.85，4.86 MPa，從開切眼至終采線范圍內(nèi)支承應(yīng)力變化可分為采空區(qū)低應(yīng)力穩(wěn)定區(qū)、工作面實(shí)體煤側(cè)應(yīng)力升高區(qū)、終采線側(cè)應(yīng)力降低區(qū)。

對(duì)比圖8（a）和圖8（b）可知，相較于下行開采，上行開采下工作面推進(jìn)20，40，60，80，100，120 m 時(shí)，工作面前方支承應(yīng)力峰值分別減少了19.7%，22.2%，30.9%，9.1%，31.3%，36.4%，煤層工作面應(yīng)力環(huán)境得到改善。

3 煤層群接續(xù)開采方案優(yōu)選

3.1 經(jīng)濟(jì)效益

參考礦井已采煤層開采經(jīng)驗(yàn)，確定下7 煤層和下10煤層工作面日循環(huán)割煤4 刀，日循環(huán)進(jìn)尺為3.2 m。日產(chǎn)量計(jì)算公式為

式中：N為工作面日產(chǎn)量，t；L為工作面長(zhǎng)度，m；S為工作面日推進(jìn)長(zhǎng)度，m；h為工作面采高，m；r為煤層密度，t/m3；c為工作面采出率，厚煤層不低于0.93，中厚煤層不低于0.95，薄煤層不低于0.97。

將下7 煤層和下10 煤層參數(shù)代入式（1），可得下7煤層工作面日產(chǎn)量為1 388.2 t，下10 煤層工作面日產(chǎn)量為3 961.9 t。下7、下10 煤層年產(chǎn)量分別為41.65，118.86 萬(wàn)t。按照2020 年4 月-2021 年3 月平均噸煤售價(jià)428.69 元計(jì)算，采用下行開采和上行開采的年收入分別為1.79 億元和5.10 億元，采用上行開采比下行開采每年經(jīng)濟(jì)效益提高64.9%。

3.2 方案優(yōu)選

不同煤層群接續(xù)開采方案相關(guān)指標(biāo)對(duì)比見(jiàn)表3。可看出上下行開采方案下煤層完整性均可滿足煤層回采要求，但采用上行開采方案時(shí)，一方面可有效釋放接續(xù)煤層應(yīng)力，另一方面又提升了礦井經(jīng)濟(jì)效益，因此優(yōu)選上行開采作為榆樹嶺礦煤層群接續(xù)開采方案。

表3 煤層群接續(xù)開采方案相關(guān)指標(biāo)對(duì)比Table 3 Correlation index comparison of coal seam group continuous mining schemes

4 煤層群接續(xù)開采方案優(yōu)選結(jié)果驗(yàn)證

采用AHP 與模糊數(shù)學(xué)理論對(duì)煤層群接續(xù)開采方案優(yōu)選結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

4.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重向量

選取采煤直接成本X1、工作面生產(chǎn)能力X2、采煤方法X3、回采工效X4、工人熟悉程度X5、實(shí)施難易程度X6、煤層應(yīng)力環(huán)境X7、煤層完整性程度X8這8 個(gè)影響因素作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，建立煤層群接續(xù)開采方案綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)模型，如圖9 所示。

圖9 煤層群接續(xù)開采方案綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)模型Fig.9 Comprehensive evaluation index model of coal seam group continuous mining scheme

通過(guò)二元比較法[16]，構(gòu)造準(zhǔn)則層相對(duì)于目標(biāo)層的判斷矩陣?yán)梅礁ㄓ?jì)算得到判斷矩陣的最大特征值 λmax=3.086，特征向量M1=(0.368 0.082 0.550)。

對(duì)判斷矩陣D1進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，其中一致性指標(biāo)為綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)模型層數(shù)），平均隨機(jī)一致性指標(biāo)Ir=0.58，一致性比率因此，判斷矩陣D1通過(guò)一致性檢驗(yàn)，由此可得目標(biāo)層對(duì)準(zhǔn)則層的權(quán)重向量W1=(0.368 0.082 0.550)。同理可構(gòu)造準(zhǔn)則層相對(duì)于指標(biāo)層的判斷矩陣D2，D3，D4，求得各判斷矩陣的特征向量，并進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。AHP 單排序結(jié)果見(jiàn)表4，可知判斷矩陣D2，D3，D4同樣通過(guò)一致性檢驗(yàn)。由判斷矩陣D1-D4的最大特征值和特征向量，求得評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重向量W=(0.045 0.238 0.085 0.056 0.008 0.018 0.138 0.413)。

表4 AHP 單排序結(jié)果Table 4 Single ordering results of AHP

4.2 綜合隸屬度指標(biāo)矩陣

采用線性函數(shù)法和二元對(duì)比排序法構(gòu)造指標(biāo)層各因素相對(duì)于下行開采和上行開采的隸屬度矩陣[17]，從而得到綜合隸屬度指標(biāo)矩陣R中第1 列、第2 列元素分別為下行開采、上行開采方案中指標(biāo)層各因素的隸屬度。

4.3 最優(yōu)方案驗(yàn)證

利用評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重向量W與綜合隸屬度指標(biāo)矩陣R，求得下行開采和上行開采2 種煤層群接續(xù)開采方案的綜合評(píng)價(jià)向量E=W·R=(0.170 87 0.704 42)，可知上行開采方案的綜合評(píng)價(jià)權(quán)重（0.704 42）大于下行開采方案的綜合評(píng)價(jià)權(quán)重（0.170 87），驗(yàn)證了上行開采作為煤層群接續(xù)開采最優(yōu)方案的可行性。

5 結(jié)論

（1）上行開采時(shí)煤層完整性受到一定程度的破壞，但通過(guò)對(duì)下7、下8 煤層工作面運(yùn)輸巷、回風(fēng)巷與下10 煤層工作面運(yùn)輸巷、回風(fēng)巷內(nèi)錯(cuò)布置，可有效減小煤層塑性區(qū)破壞范圍，當(dāng)下7、下8 煤層工作面運(yùn)輸巷、回風(fēng)巷與下10 煤層工作面運(yùn)輸巷、回風(fēng)巷內(nèi)錯(cuò)10 m 布置時(shí)，下7、下8 煤層工作面未破壞區(qū)占比平均值分別為87.5%，60.4%，煤層完整性滿足回采要求。與下行開采相比，上行開采時(shí)下7、下8 煤層工作面平均應(yīng)力分別降低了45.3%，34.9%，下7、下8 煤層工作面回采期間最大支承應(yīng)力分別降低了66.7%與36.4%。

（2）采用上行開采在煤層完整性滿足安全回采要求和改善煤層應(yīng)力環(huán)境的同時(shí)，礦井經(jīng)濟(jì)效益提高了64.9%，因此優(yōu)選上行開采作為煤層群接續(xù)開采方案。

（3）建立了煤層群接續(xù)開采方案綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)模型，通過(guò)AHP 和模糊數(shù)學(xué)理論對(duì)煤層群接續(xù)開采方案優(yōu)選結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，得到下行開采、上行開采的綜合評(píng)價(jià)權(quán)重分別為0.170 87，0.704 42，驗(yàn)證了上行開采作為煤層群接續(xù)開采最優(yōu)方案的可行性。