钱家营矿近距离煤层上行开采可行性研究

刘建军，刘建庄，靖学颖

（1.开滦能源化工股份有限公司，河北 唐山 063012；2.华北理工大学 河北省矿业开发与安全技术重点实验室，河北 唐山 063210）

0 引言

我国煤炭资源丰富，煤层的存在方式多种多样，在开采过程中一般使用下行开采方式，但是对于一些复杂地质矿井下行开采方式并不实用，采用上行开采的方式更具有优势。我国学者们对近距离煤层上行开采做了大量的研究[1-6]。李岗伟等[7]为研究陶忽图煤矿近距离厚煤层上行开采的可行性，理论计算出了下部煤层开采所形成的保护范围，并通过理论分析及相似模拟手段，得出了3-1 煤层开采后对2-2 煤层整体的影响程度及矿压显现规律。袁光明等[8]运用统计分析和UDEC 数值模拟的方式，通过考虑下部煤层开采厚度、煤层间距、层间岩层岩性指数来构建预计公式，提出了以上部煤层台阶错动量作为核心指标的近距离煤层上行开采可行性判别方法。李杨等[9]通过考虑煤层群开采扰动、煤系地层力学性质和覆岩破断特征的影响，形成了开滦矿区上行协调开采可行度判别式与评价体系。杨五五[10]以甘庄煤矿为背景综合运用岩石力学试验和数值模拟方法来研究近距离煤层刀柱式开采上行蹬空开采安全性问题,预测分析了不同长度的工作面上行开采所引起的采动覆岩及层间岩层应力变化，综合评价了甘庄煤矿上行开采可行性。以上研究为下位12 煤层开采后，对上位9 煤层开采进行判定提供了宝贵经验。

1 工程概况

钱家营矿主要可采煤层有5 层，分别为5 煤层（1.2 m） 7 煤层（4.1 m）、8 煤层（1.8 m）、9 煤层（1.9 m）、12 煤层（3.4 m），除5 煤、12 煤与相邻煤层间距在30 m 左右外，7 煤、8 煤、9 煤层间距均较小，在2～8 m。综合考虑产量和煤经济指标的需求，选用7、8、12、9、5 煤层依次开采的开采模式。由于9 煤层在开采之前，上部7、8 煤层，下部12 煤层均已完成开采，在此开采条件下，9煤层的开采和单一上行开采有显著的差异，给煤层的开采带来新的技术问题。9 煤层上行开采的可行性是开采模式选择的关键因素，因此对9 煤层进行上行开采可行性研究。

1692 工作面与1681、1682 工作面间距为1.2 ～10.8 m，平均间距5.6 m，分别是1.1 m 的细砂岩、2.6 m 的细砂岩和1.9 m 的泥岩，与1622 工作面平均间距约30 m。1692 工作面上部有1681、1682 工作面间残留的区段保护煤柱，宽度为12 m，下方为1622 采空区，巷道剖面布置如图1 所示。

图1 巷道剖面布置Fig.1 roadway profile layout

1692 工作面走向长553 m，倾斜长160 m，顶底板情况见表1，其下方为12 煤层已经开采的1622 工作面，顶底板情况见表2。

表1 1692 工作面顶底板情况Table 11692 roof and floor of working face

表2 1622 工作面顶底板情况Table 21622 roof and floor of working face

2 上行开采判别

2.1 比值判别法法

利用比值判别法来计算钱家营矿1692 工作面的采动影响系数。1692 工作面下部为单一煤层开采，可按公式（1） 进行计算[11]，计算结果见表3。

表3 注浆加固后303 盘区工程费用Table 3 Construction cost of 303 panel after grouting reinforcement

表3 采动影响系数计算结果Table 3 Calculation results of mining influence coefficient

式中：K 为采动影响系数；H 为上下煤层之间的垂距，m；M 为下煤层采高，m。

根据比值法的判别结果，1692 工作面采动影响系数满足要求，按照采动影响系数方法判断可以进行上行开采。

2.2 “三带”判别法

“三带”判别法认为当上部煤层位于下部煤层冒落带范围之内时，不能进行上行开采；当上部煤层位于下部煤层的裂隙带时，上部煤层只是受到中等程度破坏，采取一定措施后，可以实现上行开采；当上部煤层位于下部煤层的裂隙带之上时，可进行上行开采[12]。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高度和裂隙带高度计算方式不一样，结合1692 工作面顶板岩性特征，垮落带最大高度Hm可按公式（2） 来计算[11]，裂隙带最大高度Hli可按公式（3） 来计算，上行开采工作面与“三带”的关系见表4。

表4 上行开采工作面与“三带”的关系Table 4 Relationship between upward mining face and"three zones"

式中：Hm为垮落带最大高度，m；Hli为裂隙带最大高度，m；∑M 为累计采厚，m。

根据计算结果可知，1692 工作面全部位于垮落带之上，处于下伏工作面开采后的裂隙带或弯曲下沉带，已有研究表明，在裂隙带以及弯曲下沉带中的煤层完整性并未受到严重破坏，通过现有的技术手段可以进行开采，因此1692 工作面上行开采是可行的。

2.3 围岩平衡法

平衡岩层指的是在回采过程中，形成不发生台阶错动的平衡岩层结构。从下煤层顶板到平衡岩层顶板的高度称之为围岩平衡高度，上行开采过程中应当满足的层间距H 可按公式（4） 来计算，计算结果见表5。

表5 上行开采平衡围岩高度判别结果Table 5 Discriminant result of balanced surrounding rock height in upward mining

式中：M 为下煤层采高，m；K1为岩石碎胀系数；h 为平衡岩层本身厚度，m。

分析结果可知，在开采过程中顶板岩层跨落之后，顶板上方坚硬的岩层起到了平衡岩层的作用，上覆岩煤层不会发生台阶错动，因此说明钱家营矿1692 工作面可以进行上行开采。

3 数值模拟

3.1 建立地质模型

以钱家营煤矿1692 工作面所在的9 煤层为研究对象，采用数值模拟的研究方法，对比分析上行、下行2 种开采方式对9 煤层及1692 工作面开采的影响。图2 为1692 工作面所在采区区域的数值模型三维图形，该模型长580 m、宽360 m、高233.8 m，模型前后面、左右面以及底面施加速度和位移为零的约束条件，上覆岩层以荷载的形式施加在顶部。

图2 数值模拟模型Fig.2 numerical simulation model

3.2 上行、下行开采对9 煤层影响

通过对比上行开采和下行开采对9 煤层的影响来确定合理的开采方式。采用下行开采方式后9 煤层开采之前垂直应力如图3 所示，采用上行开采方式后9 煤层开采之前垂直应力如图4 所示，模型中部区域垂直应力的变化曲线如图5 所示。

图3 下行开采前9 煤层垂直应力分布Fig.3 Vertical stress distribution in the first 9 coal seams before downward mining

图4 上行开采前9 煤层垂直应力分布Fig.4 Vertical stress distribution of coal seam 9 before upward mining

图5 上下行开采对9 煤层垂直应力分布的影响Figure.5 Influence of upward and downward mining on vertical stress distribution in No.9 coal seam

通过综合分析垂直应力分布图以及垂直应力分布曲线可得，由于受7、8 煤层开采卸压的影响，垂直应力向煤层两侧的煤壁煤转移，虽然此时无论采用上行开采还是下行开采，对9 煤层开采之前垂直应力的大小和分布的影响都并不显著，但是下行开采中，在7、8 煤层工作面煤柱下方以及实体煤一侧出现了较高的支承压力，而在上行开采中，受12 煤层开采卸压的影响，7、8 煤层残留煤柱向9煤层传递的支承压力对9 煤层应力的分布没有显著的影响。

4 结语

综合运用比值判别法、“三带”判别法以及围岩平衡法对9 煤层1692 工作面上行开采的可行性进行研究，得出9 煤层1692 工作面位于12 煤层开采后冒落带上方的裂隙带中，煤层整体性较好，满足上行开采的要求。同时运用数值模拟对上行开采和下行开采两种开采模式进行了对比分析，得出上行开采相对下行开采而言，工作面以及巷道处于低应力区域，有利于巷道的布置和采场矿压管理，确定了9 煤层进行上行开采的可行性。