煤层群二次上行开采对上位煤层影响研究

马进功 郝万东

（中国煤炭科工集团太原研究院，山西省太原市，030006）

煤层群二次上行开采对上位煤层影响研究

马进功 郝万东

（中国煤炭科工集团太原研究院，山西省太原市，030006）

王庄煤矿拟开采的2＃煤先后两次受到其下部7＃、9＃煤开采的影响，需要对上行开采可行性进行研究。基于相关岩层控制理论，采用数值模拟方法，研究下部煤层二次采动影响下，上覆岩层尤其是关键层岩层与2＃煤层的移动规律与破坏特征。分析论证2＃煤上行开采的可行性。数值模拟研究认为，在经历下部两次采动影响后，2＃煤仍处于弹性变形阶段，可以采用上行开采，并在现场实践中取得了较好的效果。

煤炭开采 上行开采 数值模拟 二次采动 塑性破坏 弹性变形

江苏省王庄煤矿主采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＃煤已经先于其上位的2＃煤采完，因此2＃煤先后受到下部7＃、9＃煤开采的两次上行采动影响，属上行开采。对于上行开采的可行性，国内外研究较多，理论判别方法也多适用于两层煤间。而本次开采，其在时间上超前于2＃煤进行二次不均衡开采，所以受二次采动影响的2＃煤完整性未知，运用已有的理论判别方法判别时有很大的局限性，需借助其他研究方法。

本文在对岩层进行关键层判断的基础上，通过FLAC有限元数值模拟研究方法，模拟2＃煤及其下部关键层的岩层破断规律、破坏程度和塑性破坏区域，分析其应力场分布、位移变化和力学状态，判断2＃煤在二次采动后的完整性。实践证明，数值模拟对2＃煤开采提供了理论基础。

1 煤层概况

王庄矿主采煤层2＃煤、7＃煤和9＃煤厚度分别是2 m、3.33 m和3 m，煤层均属半亮型气煤，其中2＃煤埋深约为200 m，煤层倾角平均为21°，煤层顶板为砂泥岩或砂页岩互层，中等稳定，水文地质条件简单，老空区无积水；7＃煤顶板为石英砂岩，底板为砂泥岩；9＃煤顶板为细砂岩，底板为砂泥岩。7＃、9＃煤层间距最小为7.1 m，最大为15 m。岩层的岩石物理力学指标见表1。

表1 煤岩层顶底板岩层物理力学参数

2 关键层计算

关键层的变形破断规律及其运动过程中与上下岩层间的相互耦合作用，对于研究地表沉陷或者说煤层群上位煤层的岩层移动、下沉曲线和破坏情况提供理论分析依据，因为关键层的破断与变形，将会导致上覆载荷岩层相互协调变形一致即整体运动。因此对于关键层位置的判别是研究其上覆岩层移动规律的基础。

根据关键层理论计算，通过刚度判别和强度判别，判别结果见表2及图1。因主关键层位于2＃煤上方，因此不做研究，下文所述关键层均指亚关键层。

表2 关键层判别计算结果汇总表

图1 关键层判别结果图

3 二次上行开采数值模拟分析

采用FLAC数值模拟软件模拟7＃煤和9＃煤在开采过程中其覆岩亚关键层和2＃煤的煤岩层变形规律。整个数值模型示意图如图2所示，模型尺寸130 m×150 m，工作面推进长度为90 m，两边各留20 m的边界煤柱。2＃煤层老顶细砂岩上部的岩层重量按照垂直补偿应力施加2 MPa。

7＃、9＃煤实际开采过程中，平均推进速度为3.5 m／d。模拟中开采3.5 m作为一次推进长度，即为一个小循环，通过控制时步，待其上覆岩层及其顶板岩层得到一定的应力释放后再进行下一个循环。为了便于研究，数值模拟追踪记录亚关键层A点、B点与2＃煤C点、D点位移变化，A、B、C、D 4点的位置如图2所示。

图2 数值模拟模型示意图

3.1 7＃煤一次采动效应

3.1.1 应力效应

7＃煤开采作用效应见图3（a）所示，分析可知7＃煤垂直原岩应力为5.1 MPa，工作面前方大约30 m范围达1.9610 MPa，至煤壁范围内应力状态为增压区，其中煤壁前方大约5 m处最大应力达到2.9415 MPa，至煤壁形成极限平衡区，支承压力在工作面前方约50 m范围达1.575 MPa，分布范围延伸至煤体内支承压力影响逐渐减小，渐形成弹性区。

图3 7＃煤开采作用效应

由于煤层开采后将引起上覆岩层的移动与破断，从而在覆岩中形成采动裂隙。如图3（b）所示，垂直应力在2＃煤的左右两侧相对中部较大，然而两侧的最大值仅为2.6 MPa，相当于其原岩应力 （2.35 MPa）的1.11倍，煤层中部垂直应力处于原岩应力水平。因此2＃煤受下部7＃煤开采的采动应力作用不明显，基本位于原岩应力状态。

3.1.2 位移效应

在7＃煤开采过程中，亚关键层追踪点A、B和2＃煤追踪点C、D 4点的位移变化曲线如图4所示。

岩层移动由下向上成组运动，即关键层下沉变形时，其上覆全部或局部岩层的下沉量同步协调，且变化率较小。2＃煤追踪点的垂直变形曲线与亚关键层追踪点的垂直位移变形曲线形状基本相似，且趋势大体一致。岩层移动过程中，2＃煤仅仅是相当于亚关键层的一层载荷，其C7、D7追踪点位移变化曲线的斜率小于A7、B7点的曲线斜率，即vA＞vC、vB＞vD（v为变形速率）。由此可见，在关键层存在的情况下，岩层移动特点是关键层上位岩层的变形是越向上越缓慢，其垂直位移的运动与关键层保持同步。7＃煤开采后，2＃煤的局部最大破坏变形较小，约为45 mm，且其变形较缓，对2＃煤的采动影响不明显。

图4 追踪点垂直位移曲线图

3.2 9＃煤二次采动效应

9＃煤的开采滞后于7＃煤，距离7＃煤平均为11 m，且随着7＃煤的开采，其上覆岩层原应力状态被破坏，进行重新分布。由此9＃煤在开采时作为二次上行开采对亚关键层与2＃煤的破坏原因主要分析垂直应力、垂直位移变形大小以及塑性分布。

3.2.1 二次采动应力效应

数值模拟模型中，9＃煤开采后，垂直应力在采空区左右两侧相对中部较大，并且垂直应力向上呈递减趋势。递减到2＃煤层所在区域时，垂直应力在2＃煤层中部较左右两侧相对较大，但是其值也仅稍高于原岩应力，而左右两侧范围垂直应力均与原岩应力相同。9＃煤的二次采动虽使上覆岩层垂直应力叠加，但未能造成2＃煤局部应力集中，即对2＃煤采动影响较小。

3.2.2 塑性破坏与位移变化

（1）塑性破坏区。模拟和实测研究表明，关键层运动对离层的产生、发展与时空分布起控制作用，沿工作面推进方向，关键层下离层动态分布呈现两阶段发展规律。第一阶段，关键层初次破断前，随着工作面推进，离层量不断增大，最大离层位于采空区中部。关键层初次破断后，关键层在采空区中部离层趋于压实，而在采空区两侧仍各自保持一个离层区。

图5 二次采动时追踪点垂直位移曲线图

第二阶段，随着9＃煤工作面的推进，通过数值模拟判断，亚关键层下部一层厚度为1.8 m的岩层，其所受剪切力逐渐增大，达到屈服极限，产生塑性破坏区，使其与上覆亚关键层产生离层，但亚关键层仍处于弹性变形状态，未产生破断，2＃煤处于弹性阶段，受破坏程度较小，即7＃煤、9＃煤二次上行开采对2＃煤的破坏影响有限。

（2）位移变化。9＃煤开采后，对亚关键层测点A9、B9和2＃煤的测点C9、D9位移进行记录，9＃煤采动垂直位移如图5所示。

从9＃煤开采到结束，亚关键层与2＃煤追踪的4点位移变化范围分别为0～0.065 m和0～0.002 m，2＃煤随着应力场和塑性区的二次分布，其煤层变化再次与亚关键层同步协调变形，且变形速率远小于一次采动。二次扰动的影响仅仅表现在对亚关键层和2＃煤的位移增加量，前者最大为70 mm，后者仅为50 mm。处于弹性区的2＃煤，变形量小，受破坏区较小，数值模拟结果证明上行开采是可行的，数值模拟为其开采提供了理论和试验依据。

4 现场实践

7＃煤和9＃煤开采后，对2＃煤进行回采。2121工作面是2＃煤二采区的第一个综采工作面，工作面长度为150 m，在其回采期间对轨道巷进行表面位移观测，观测数据如图6所示。

图6 表面位移曲线图

由图6可以看出，工作面正常回采期间，工作面前方回采巷道受动压影响顶底板总的移近量约45 mm，两帮移近量在50 mm以内；在工作面推进至距离测站9～10 m左右时，巷道围岩移近速度突然增加，期间变形量达到15～32 mm，说明9～10 m为工作面采动剧烈影响区；距离工作面10～35 m范围内，巷道围岩移近量有所增大，但是移近速度比较平缓，说明该范围为超前采动显著影响区；距离工作面35～60 m范围内，巷道围岩变形量比较小，变形速度也不明显；69 m以外，巷道几乎没有受采动影响的变形现象。

由矿压观测可知，在工作面回采过程中，巷道表面位移变形量最大 也才50 mm，变形量较小，煤层及巷道顶底板均保持一定的稳定性，取得了很好的效果。因此，下部7＃、9＃煤层的二次上行开采，对2＃煤的回采影响较小。

5 结语

（1）以岩层控制相关理论为基础，研究2＃煤受下部7＃煤、9＃煤上行开采后的开采可行性，表明上覆岩层的位移变化规律与关键层的变化是同步协调的，且变形和其变形速率沿覆岩向上呈递减趋势。因此必须对关键层的围岩状态、岩层控制进行研究，是现场实践取得成功的决定性因素。

（2）数值模拟表明尽管关键层下位岩层出现离层，但是由于关键层未能破断，2＃煤仍处于其弹性变形阶段内，因此7＃、9＃煤的开采对2＃煤的破坏有限。矿压观测也表明，2＃煤未能有较大破碎带，回采效果较好。

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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

马进功 （1986-），男，山西汾阳人，中国矿业大学采矿工程硕士研究生，助理工程师，主要从事短壁机械化开采工艺和配套、边角煤回收及矿山压力与岩层控制方面的研究。

（责任编辑 张毅玲）