吉克煤矿首采区上行开采可行性分析

李恩全，付永洁，孟 辉，张思华

(1.淄博矿业集团有限责任公司地质测量处，山东淄博2551202;2.淄博矿业集团岱庄煤矿，山东济宁272051)

煤层开采后，一般会导致其上一定范围的覆岩发生运动破坏，形成垮落带、导水裂隙带和整体弯曲下沉带［1－3]。通常煤层群开采情况下，为保证后续煤层的稳定性，多采用先采上煤层后采下煤层的下行式开采方式。由于地质和开采条件的不同，在高瓦斯矿井煤层群开采过程中，选择相对较薄的煤层首先开采，将高瓦斯煤层的瓦斯卸压，降低突出危险，再开采上部相对较厚、瓦斯含量较大的煤层，实现煤层的安全回采技术，称为解放层开采。实行上行开采，煤层间距及其破坏程度是最为重要的影响因素。文献［3－7] 针对不同的上行开采条件下覆岩运动规律及其可行性进行了研究。

曲靖地区煤炭资源相对贫乏，且地表多山地，开采经验不足，其特定地质条件下的覆岩运动规律尚未进行深入研究。本文借助上行开采的可行性进行分析，研究云南地区采动覆岩运动规律，尤其是上行开采时的覆岩破坏情况。

1 吉克煤矿首采区基本概况

吉克煤矿位于云南富源县墨红镇，地表为起伏的山地地形。矿井首采区可采煤层共5层(M7、M9、M11、M15、M16)，总厚度14.41 m，其中 M7 为局部可采的薄煤层，其它煤层为中厚煤层，且全区可采。根据勘探资料初步判定M9为煤与瓦斯突出煤层，其它煤层不是突出煤层。首采区M9煤层平均埋深290.1 m，M11煤层平均埋深309.69 m，煤层间距平均为19.59 m，煤层倾角一般5°－10°。表1为首采区主要可采煤层特征表。

表1 首采区可采煤层特征Tab.1 The coal seam characteristics of the first mining area

2 上行开采条件

吉克煤矿M7、M11煤层分别位于有瓦斯突出危险的M9煤层上方25.11 m处和下方19.59 m处，均可以作为M9煤层的解放层开采，但是M7煤层厚度相对较小，大部分厚度都在0.7 m以下，且灰分较高，达到26.68%，开采M7煤层在经济上也不合理。若作为M9煤层的解放层开采，采动底板卸压效果可能并不理想;而M11煤层赋存相对稳定，煤厚相对较大，且不属突出煤层，因此可作为解放层开采。表2列出了在急倾斜和缓斜煤层条件下，抽放和不抽放两种方式下，上下保护层开采与被保护层的极限间距。

表2 经验条件解放层开采间距Tab.2 The exploitation of space in liberated seam under the experience conditions

吉克煤矿开采下解放层，煤层属缓倾斜煤层，其解放层的有效层间垂距在抽放时为100 m，不抽放时为80 m。M11煤层到 M9煤层的垂距在15.99－22.1 m 之间，小于 80 m。由此可见，在M11煤层开采后，M9煤层已完全处于有效保护范围。

根据经验数据判别，吉克煤矿首采区M11煤层和M9煤层具备上行开采的基本条件。

3 上行开采可行性分析

3.1 比值法

确定煤层间距是否满足上行开采条件是首要任务。当上煤层采掘活动应在下煤层采后4－6个月进行。用比值法进行判别［2]，即:

煤层间距离和下煤层采高比值k＞7.5时，一般可以不影响上煤层开采。

根据吉克煤矿设计采区的基本条件，M11煤层采厚平均1.69 m，煤层间距平均19.59 m，计算得 k=11.6 ＞7.5，可以采用上行开采。

3.2 “三带”判别法

“三带”判别法认为上下煤层间距小于或等于下煤层开采的垮落带高度，上煤层结构受到破坏，无法进行上行开采;当煤层间距小于或等于导水裂隙带高度的时候，上煤层发生中等程度破坏，采取一定措施之后可以采用上行开采;煤层间距大于下煤层开采导水裂隙带高度时，上煤层仅发生整体的移动，不用采取措施即可进行上行开采。对开采单一煤层时，按中硬岩层考虑，垮落带高度和导水裂隙带高度按经验公式确定［8]。

式中Mm－垮落带高度，m;ML－导水裂隙带高度，m;M －下煤层采高，m。计算得 Hm=4.1－8.47 m，HL=21.2 －32.4 m。

由于M11和M9煤层之间岩性多为砂质泥岩，因此取值应偏向下限。由理论计算结果可知，煤层间距远大于垮落带高度，导水裂隙带高度略大于煤层间距，上煤层发生中等甚至微弱程度破坏，下煤层采动稳定较长时间或针对上煤层采取一定措施之后可以采用上行开采，回采M9煤层。

3.3 附加值法

受单个煤层上行开采采动影响，保证上层煤正常开采的最小层间距离可按以下式计算

式中H－最小层间距离，m;M－下层煤采厚，m;△m－安全系数(或附加值)，一般取△m小于1.0 m，或不考虑。

根据式(1)，取最大△m为1 m，计算出M11煤层最大厚度1.96 m和最小厚度1.3 m时，最小层间距离H值均大于计算结果9.5 m和7.1 m。由以上计算分析，M11煤层可以作为下保护层开采。

以上计算均基于长壁冒落法开采进行的，而实际开采过程中，如果M11采用条带开采方案，垮落带和导水裂隙带的高度将更低。所以，根据吉克煤矿M11煤层的赋存条件，完全可以采用上行开采方案。

4 数值模拟分析

为进一步了解上行条带开采可行性，根据实际条件进行了数值模拟研究。数值模型采用UDEC3.0软件建立。该软件提供了适合岩土的7种材料本构模型和5种节理本构模型，能够较好地适应不同岩性和不同开挖状态条件下的岩层运动需要，是目前模拟岩层破断后移动过程较为理想的数值模拟软件。UDEC能够分析研究直接和不连续特征相关的潜在的岩体破坏方式及煤层开挖后顶板垮落、离层的过程，可以较准确地分析条带开采后覆岩的移动和地表的沉陷。

4.1 模型建立

表3 数值模型中岩性力学参数Tab.3 Numerical model of rock mechanics parameters

模型中岩性分布情况根据吉克煤矿首采101采区ZK2203钻孔柱状进行划分，模型总长度为500 m，总高度为300 m。模型中各岩层岩性物理力学参数如表3所示。实际数值模型见图1。

4.2 模拟结果分析

通过在M9煤层顶板布置的测线，监测M11煤层开采对M9煤层的卸压效果。工作面开采至40 m时，垮落带发育到最大高度并保持稳定，此时导水裂隙带发育高度约为10 m，M9煤层中部测线应力变化稳定，因此可以判断，此时还没有达到预期的卸压效果。

工作面继续向前开采至120 m时，导水裂隙带发育至M9煤层，两层煤之间基岩出现大量裂隙空间。图2为开采120 m时M9煤层中垂直应力分布情况。M9煤层中的垂直应力均明显低于原岩应力值，说明在开采M11煤层之后，完全可以达到对M9煤层的卸压效果。

当工作面开采至120 m时，导水裂隙带发育至最大高度达26 m，说明M9煤层已经处于导水裂隙带之内，但由于裂缝并非充分发育，因此在进行长期稳定或简单修护之后，仍然可以进行后期巷道系统的布置。

数值模拟结果与理论计算结果基本一致，即M11煤层开采之后，导水裂隙带顶部发育至M9煤层，起到对M9煤层的卸压作用。M9煤层受采动影响长期稳定之后，仍具有开采的可行性。

5 结论

采取比值法、“三带”判别法以及数值模拟计算等方法，M11煤层开采后，垮落带高度为8－9 m，导水裂隙带高度为21.2－32.4 m，导水裂隙带顶部可以发育到M9煤层，实现预期的卸压效果，M9煤层经过长期稳定或简单修护后，可以继续开采。

［1] 钱鸣高，石平五，许家林.矿山压力与岩层控制［M] .徐州:中国矿业大学出版社，2010.

［2] 杜计平，孟宪锐.采矿学［M] .徐州:中国矿业大学出版社，2009.

［3] 汪理全，李中颃.煤层(群)上行开采技术［M] .北京:煤炭工业出版社，1995.

［4] 程新明.复杂地质条件下上行开采的研究与实践［J] .煤炭科学技术，2004，32(1):44－46.

［5] 张仲春，余耀锋，杨洪滨.上行开采近距离煤层群的探讨与应用［J] .煤，2007，16(9):61 －64.

［6] 张恩强，李军，惠双林，等.赵家梁煤矿上行开采可行性研究［J] .西安科技大学学报，2010，30(1):39－43.

［7] 肖同强，樊克恭.上行开采上覆岩层运动规律及可行性研究［J] .煤，2007，16(7):7 －10.

［8] 国家煤炭工业局.建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程［M] .北京:煤炭工业出版社，2000.