近距离煤层上行开采可行性研究

王骥俊

(山西汾西矿业集团柳湾煤矿，山西 孝义 032300)

通过论述首采区概况，采用“三带”判别法和围岩平衡法等方法计算并分析了3下煤层开采后，3上煤层的上行开采可行性，分析结果表明，当3上煤层和3下煤层层间距与3下煤层采高比值小于4.5时，3上煤层不能进行上行开采，当层间距与采高比值大于4.5时，采取一定安全技术措施后，可进行上行开采。

近距离煤层；上行开采；可行性

上行开采可行性是指位于上部的煤层，在受到下部煤层回采后顶板冒落所产生岩层移动的影响之后，仍具备完整性[1-2]。这主要决定于煤层层间距与下煤层采厚比值(柱厚与采厚比)、层间岩性及结构、下部煤层的开采方法及采出率、上下煤层先后开采时间间隔等因素。本文就上述的判定方法，按照矿井的实际地质及技术条件，对首采区3上煤层上行开采的可行性进行论证。

1 工程概况

矿井二水平首采区南北边界均为煤焦分界线，即南起37勘探线以南400 m，北至30勘探线，西起3煤层露头，东至南北两翼大巷及工广保护煤柱。南北最长约6 300 m，东西最宽处约3 700 m。首采区东南与四采区相邻，东北与五采区相邻，西南与二采区相邻，西北与三采区相邻，相邻采区均未采。区内主要可采煤层为3上煤层和3下煤层，煤层开采上限标高-600 m，开采下限标高-844 m。

1.1 首采区煤层概况

1) 3上煤层

3上煤层为3煤层分叉后的上分层。位于山西组中下部，上距石盒子组B层铝土岩77.34 m～97.06 m，平均87.21 m；下距3下煤层0 m～27.29 m，平均17.27 m；距太原组三灰58.71 m～89.30 m，平均74.80 m；分布于矿区中东部，煤层厚度0 m～3.50 m，平均1.04 m。除矿区中部和东南部分别出现冲刷区和岩浆岩吞蚀区外，其余地段均可采，可采区平均煤厚1.62 m。可采性指数0.61，面积可采系数59%，煤厚变异系数34%，属大部可采的较稳定薄煤层，可采区范围内煤层稳定。含0层～2层夹矸，夹矸岩性为炭质泥岩、泥岩或岩浆岩，煤层结构较简单。

2) 3下煤层

3下煤层为矿井主采煤层，由3煤层合并区(命名为3煤层)及分叉区的下分层(命名为3下煤层)共同构成。位于山西组中下部，下距三灰51.29 m～73.24 m，平均57.49 m，距15上煤层124.32 m～137.88 m，平均126.44 m；煤层厚度0 m～7.92 m，平均3.63 m，除零星分布的冲刷区和岩浆岩吞蚀区外，几乎全区分布，可采区平均煤厚3.84 m。可采性指数0.93，面积可采系数93%，煤厚变异系数49%，属大部可采的较稳定厚煤层，可采区范围内煤层稳定。多数含0层～2层夹矸，仅个别点(127、J-10、223钻孔)含4层～6层夹矸，夹矸岩性为炭质泥岩、泥岩；G-33、L9钻孔受岩浆岩侵蚀，分别含5层岩浆岩夹矸，煤层结构较简单。

1.2 首采区煤层顶底板情况及煤层间距

3上煤层和3下煤层位置示意图如图1所示。

图1 3上煤层和3下煤层位置示意图

3煤层顶板：伪顶为泥岩、粉砂岩或炭质泥岩，厚0.21 m～0.65 m，直接顶板多为粉砂岩，厚0.75 m～13.73 m，岩石抗压强度为39.3 MPa～148.2 MPa；次为泥岩，厚0.88 m～4.55 m，岩石抗压强度38.0 MPa～110.6 MPa；局部为细、中砂岩；老顶厚2.50 mm～27.8 mm，主要为细砂岩和中砂岩。在岩浆岩侵蚀区煤层顶板常为煌斑岩或蚀变煌斑岩，硬度较大，裂隙较发育。

3上煤层顶板：以中、细砂岩为主，厚2.77 m～19.02 m；次为泥岩，厚0.75 m～4.36 m；偶见炭质泥岩伪顶。

3上煤层底板：以粉砂岩为主，厚0.78 m～10.90 m；次为泥岩，厚0.95 m～6.20 m；偶见炭质泥岩伪底。

3下煤层顶板：以中、细砂岩为主，厚1.44 m～17.79 m；次为泥岩，厚0 m～2.89 m；偶见炭质泥岩伪顶。

3下煤层底板：主要为泥岩、炭质泥岩，厚0.72 m～6.19 m，多数在±2 m；其次为粉砂岩，局部块段为细砂岩，偶见泥岩、炭质泥岩伪顶；在首采区的1302综采面揭露的底板泥岩或粉砂岩平均厚度为6 m～8 m。

3上煤层和3下煤层间距为0.78 m～27.29 m，平均间距为17.27 m，由南向北逐渐减小，合并为3煤层。

2 上行开采基本层间距

上行开采的基本层间距H是指可实行上行开采最基本的层间距离，它与下位煤层的采高M有关，可用其比值来表达[3]。依据准平衡带的滑落稳定条件、井下探测及物理模拟研究得到的覆岩裂隙与结构的分带发育规律，可以确定上行开采基本层间距的比值。

覆岩平衡带内能够形成不发生台阶错动的平衡岩层结构，准平衡带内满足滑落稳定条件时也能形成平衡岩层结构，从下煤层顶板至最近的平衡岩层顶部的高度称为围岩平衡高度。当上覆岩层中有坚硬、中硬岩层时，上煤层应位于下煤层围岩平衡高度之上，或煤层底板作为平衡岩层结构的承载层，煤层处于负载层位置，由此，上行开采的基本层间距可按式(1)求出[4]。

H≥hp-M

(1)

式中：hp为围岩平衡高度，m；M为下位煤层的采高，m。

准平衡岩层是否发生滑落失稳、导致层间错动，这是确定上行开采基本层间距的关键。在深部上行开采时，准平衡岩层的平衡条件会发生的变化，相应的深部上行开采条件与浅部的差异，必须进行相应的力学分析。

根据关键层理论的关键块稳定性分析[5]，砌体梁结构的关键块可能发生滑落失稳及转动变形失稳。在上行开采中，岩层结构的滑落失稳与转动变形失稳，会影响结构的连续性，产生层间错动，严重制约上行开采。通常，岩层结构滑落稳定条件高于回转变形稳定条件，尤其中深井高地压作用下(采空区允许下沉高度降低、岩块破断后的回转角θ1减小)更加如此。因此，上行开采准平衡岩层的稳定性问题，就是结构的滑落稳定分析。结构滑落稳定条件为式(2)。

(2)

式中：M0为载层(支托层)厚度，m；M′为承载层所负载岩层厚度，m；σc为承载层的抗压强度，MPa；γ为层的容重，kN/m3；t为块间的摩擦系数，一般取0.3；θ1为悬露岩块断裂后的回转角。

而回转角的大小取决于采高M、冒高Mm、期来压步距C及冒落岩石碎胀系数KA，即式(3)。

(3)

取tgφ=0.3，Hm=3.3M，KA=1.25，γ=0.025MNm-3由式(2)、(3)得到滑落稳定条件为式(4)。

(4)

进入深部开采以后，由于深部高地压的作用，煤壁破碎区宽度明显扩展，煤壁压缩变形十分突出，导致准平衡岩层结构明显沉降、采空区底板发生明显的底臌变形，从而使准平衡岩层的允许下沉高度明显缩小，即式(5)。

(5)

式中：ξ为准平衡岩层允许下沉高度的折减系数，ξ<1。

由式(2)、(4)得到深部开采的准平衡岩层滑落稳定的条件为式(6)。

(6)

针对3下煤层条件，取M=3.5 m，C=16 m,σc=62.36 MPa，则滑落稳定条件可简化为式(7)。

(7)

表1 滑落稳定条件与ξ的关系

根据准平衡岩层滑落稳定条件分析，当结构承载层与负载层厚度之和小于某一极限值时，准平衡岩层不会发生滑落失稳与层间错动。在深部开采时，若下位煤层采高M为3.5 m，层间岩性为中硬岩层，则极限值为6.5 m左右。当准平衡岩层承载层厚度为4.9 m、作为负载层的上位煤层厚度为1.6 m，即上位煤层处于准平衡结构内，也能够满足滑落稳定条件。

可以实行上行开采。因此，深井近距煤层上行开采的基本层间距为非平衡带高度2.9 m(此高度由矿上采掘资料得知)加上准平衡岩层承载层厚度1.6 m，即基本层间距为4.55 m。

综合上述分析，可以确定深井近距煤层上行开采的基本层间距为4.5 m，即H/M=4.5。其物理力学含义为：近距离上位煤层底板为准平衡结构的承载层、煤层为负载层。

3 首采区3上煤层上行开采可行性

3.1 “三带”判别法

当上、下煤层的层间距小于或等于下煤层的垮落带高度时，上煤层整体性将遭到严重破坏，无法进行上行开采。当上、下煤层的层间距小于或等于裂隙带高度时，上煤层整体性只发生中等程度的破坏，采取一定安全措施后，可正常进行上行开采；当上、下煤层的层间距大于下煤层的裂隙带高度时，上煤层只发生整体移动，整体性不受破坏，可正常进行上行开采。上煤层的开采应在下煤层开采引起的岩层移动稳定之后进行[5]。

不同倾角、不同岩性的岩层及其不同组合的覆岩，其移动及破坏规律不同。对于缓斜煤层，当煤层顶板覆岩内为坚硬、中硬、软弱、极软弱岩层或其互层时，垮落带最大高度届。可按表2中的公式计算。煤层顶板覆岩内为坚硬、中硬、软弱、极软弱岩层或具五层时，裂隙带最大高度按第115页表3公式计算。

表2 垮落带高度计算公式

根据表2中公式计算出不同顶板岩层和采厚的裂隙带高度，列于第115页表4。

根据上述计算方法，再结合矿井首采区的煤层赋存条件及覆岩岩性，3下煤层开采后形成的垮落带高度和裂隙带高度计算公式如式(8)、式(9)。

垮落带：

(8)

裂隙带：

(9)

3下煤层煤厚变化范围为0.73 m～4.31 m，平均为3.5 m，累计采高∑M可取3.5m，代入式(8)和式(9)可得出，3下煤层开采后垮落带和裂隙带高度范围分别为7.67m～12.07m和32.44m～43.64m，垮落带高度平均值约为10m，约为2.86倍采高，与上述非平衡带高度为2.9倍采高相差不大。由于3上煤层与3下煤层层间距是变化的，变化范围在0.78m～27.29m，当层间距为0.79m～10.00m时，3上煤层处于垮落带内，不可上行开采；当层间距为10.00m～27.39m时，3上煤层处于下煤层开采后形成的裂隙带内，需采取一定安全技术措施方可上行开采。

表4 不同顶板岩层和采厚的裂隙带高度

3.2 围岩平衡法

在煤层开采过程中，能够形成不发生台阶错动的平衡岩层结构的岩层，称为平衡岩层。设围岩平衡高度为从下煤层顶板至平衡岩层顶板的高度，则其上行开采的基本准则是：当采场覆岩中有坚硬岩层存在时，上煤层应处于距下煤层最近的平衡岩层位置以上；当采场覆岩均为软岩时，上煤层应处于下煤层开采后所形成的裂隙带内。上煤层的回采应在下煤层开采引起的岩层运动稳定之后进行。上行开采必要的层间距计算公式如式(10)所示。

(10)

式中：M为下层煤采高，m：K1为岩石碎胀系数，软岩取1.1～1.2，中硬岩取1.2～1.3，硬岩取1.3～1.4；h为平衡岩层本身厚度。

按该矿一采区条件，平衡岩层厚度取平均值3m，K1取1.25，采高取3下煤层平均厚度值3.5m，则由式(10)可得上行开采所需的层间距值为17m，约为4.86倍采高，当3上煤层与3下煤层间距小于17m时，3上煤层整体性破坏严重，无法进行上行开采；反之，当层间距大于17m时，3上煤层处于裂隙带内，煤层整体性和连续性只受到中等破坏，采取一定安全技术措施可进行上行开采。

由以上上行开采判别方法可知，当3上煤层和3下煤层层间距与3下煤层采高比值小于4.5时，3上煤层不能进行上行开采，当层间距与采高比值大于4.5时，采取一定安全技术措施后，可进行上行开采。

4 结论

近距离煤层在上层煤开采过程中对底板(下层煤顶板)进行破坏，破坏深度直接影响下层煤的开采安全性，文中针对3煤层的特殊性，首先，通过理论方面确定上行开采基本间距计算公式，而后，在矿井二水平首采面通过“三带”判别法、围岩平衡法进行裂隙带发育高度计算，结果表明，层间距与采高比值大于4.5时，采取一定安全技术措施后，可进行上行开采。

[1] 王广利,海立鑫,李明.清河门矿近距离煤层群上行开采技术[J].辽宁工程技术大学学报(自然科学版),2009,28(S2):43-44.

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[3] 马立强,汪理全,乔京利.平四矿近距煤层上行开采研究[J].采矿与安全工程学报,2008,25(3):243-245.

[4] 蒋金泉,孙春江,尹增德.深井高应力难采煤层上行卸压开采的研究与实践[J].煤炭学报,2004,29(1):39-43.

[5] 刘天泉.用垮落法上行开采的可能性[J].煤炭学报,1981,6(1):63-65.