吉克煤礦首采區(qū)上行開采可行性分析

李恩全，付永潔，孟 輝，張思華

(1.淄博礦業(yè)集團有限責任公司地質測量處，山東淄博2551202;2.淄博礦業(yè)集團岱莊煤礦，山東濟寧272051)

煤層開采后，一般會導致其上一定范圍的覆巖發(fā)生運動破壞，形成垮落帶、導水裂隙帶和整體彎曲下沉帶［1－3]。通常煤層群開采情況下，為保證后續(xù)煤層的穩(wěn)定性，多采用先采上煤層后采下煤層的下行式開采方式。由于地質和開采條件的不同，在高瓦斯礦井煤層群開采過程中，選擇相對較薄的煤層首先開采，將高瓦斯煤層的瓦斯卸壓，降低突出危險，再開采上部相對較厚、瓦斯含量較大的煤層，實現(xiàn)煤層的安全回采技術，稱為解放層開采。實行上行開采，煤層間距及其破壞程度是最為重要的影響因素。文獻［3－7] 針對不同的上行開采條件下覆巖運動規(guī)律及其可行性進行了研究。

曲靖地區(qū)煤炭資源相對貧乏，且地表多山地，開采經(jīng)驗不足，其特定地質條件下的覆巖運動規(guī)律尚未進行深入研究。本文借助上行開采的可行性進行分析，研究云南地區(qū)采動覆巖運動規(guī)律，尤其是上行開采時的覆巖破壞情況。

1 吉克煤礦首采區(qū)基本概況

吉克煤礦位于云南富源縣墨紅鎮(zhèn)，地表為起伏的山地地形。礦井首采區(qū)可采煤層共5層(M7、M9、M11、M15、M16)，總厚度14.41 m，其中 M7 為局部可采的薄煤層，其它煤層為中厚煤層，且全區(qū)可采。根據(jù)勘探資料初步判定M9為煤與瓦斯突出煤層，其它煤層不是突出煤層。首采區(qū)M9煤層平均埋深290.1 m，M11煤層平均埋深309.69 m，煤層間距平均為19.59 m，煤層傾角一般5°－10°。表1為首采區(qū)主要可采煤層特征表。

表1 首采區(qū)可采煤層特征Tab.1 The coal seam characteristics of the first mining area

2 上行開采條件

吉克煤礦M7、M11煤層分別位于有瓦斯突出危險的M9煤層上方25.11 m處和下方19.59 m處，均可以作為M9煤層的解放層開采，但是M7煤層厚度相對較小，大部分厚度都在0.7 m以下，且灰分較高，達到26.68%，開采M7煤層在經(jīng)濟上也不合理。若作為M9煤層的解放層開采，采動底板卸壓效果可能并不理想;而M11煤層賦存相對穩(wěn)定，煤厚相對較大，且不屬突出煤層，因此可作為解放層開采。表2列出了在急傾斜和緩斜煤層條件下，抽放和不抽放兩種方式下，上下保護層開采與被保護層的極限間距。

表2 經(jīng)驗條件解放層開采間距Tab.2 The exploitation of space in liberated seam under the experience conditions

吉克煤礦開采下解放層，煤層屬緩傾斜煤層，其解放層的有效層間垂距在抽放時為100 m，不抽放時為80 m。M11煤層到 M9煤層的垂距在15.99－22.1 m 之間，小于 80 m。由此可見，在M11煤層開采后，M9煤層已完全處于有效保護范圍。

根據(jù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)判別，吉克煤礦首采區(qū)M11煤層和M9煤層具備上行開采的基本條件。

3 上行開采可行性分析

3.1 比值法

確定煤層間距是否滿足上行開采條件是首要任務。當上煤層采掘活動應在下煤層采后4－6個月進行。用比值法進行判別［2]，即:

煤層間距離和下煤層采高比值k＞7.5時，一般可以不影響上煤層開采。

根據(jù)吉克煤礦設計采區(qū)的基本條件，M11煤層采厚平均1.69 m，煤層間距平均19.59 m，計算得 k=11.6 ＞7.5，可以采用上行開采。

3.2 “三帶”判別法

“三帶”判別法認為上下煤層間距小于或等于下煤層開采的垮落帶高度，上煤層結構受到破壞，無法進行上行開采;當煤層間距小于或等于導水裂隙帶高度的時候，上煤層發(fā)生中等程度破壞，采取一定措施之后可以采用上行開采;煤層間距大于下煤層開采導水裂隙帶高度時，上煤層僅發(fā)生整體的移動，不用采取措施即可進行上行開采。對開采單一煤層時，按中硬巖層考慮，垮落帶高度和導水裂隙帶高度按經(jīng)驗公式確定［8]。

式中Mm－垮落帶高度，m;ML－導水裂隙帶高度，m;M －下煤層采高，m。計算得 Hm=4.1－8.47 m，HL=21.2 －32.4 m。

由于M11和M9煤層之間巖性多為砂質泥巖，因此取值應偏向下限。由理論計算結果可知，煤層間距遠大于垮落帶高度，導水裂隙帶高度略大于煤層間距，上煤層發(fā)生中等甚至微弱程度破壞，下煤層采動穩(wěn)定較長時間或針對上煤層采取一定措施之后可以采用上行開采，回采M9煤層。

3.3 附加值法

受單個煤層上行開采采動影響，保證上層煤正常開采的最小層間距離可按以下式計算

式中H－最小層間距離，m;M－下層煤采厚，m;△m－安全系數(shù)(或附加值)，一般取△m小于1.0 m，或不考慮。

根據(jù)式(1)，取最大△m為1 m，計算出M11煤層最大厚度1.96 m和最小厚度1.3 m時，最小層間距離H值均大于計算結果9.5 m和7.1 m。由以上計算分析，M11煤層可以作為下保護層開采。

以上計算均基于長壁冒落法開采進行的，而實際開采過程中，如果M11采用條帶開采方案，垮落帶和導水裂隙帶的高度將更低。所以，根據(jù)吉克煤礦M11煤層的賦存條件，完全可以采用上行開采方案。

4 數(shù)值模擬分析

為進一步了解上行條帶開采可行性，根據(jù)實際條件進行了數(shù)值模擬研究。數(shù)值模型采用UDEC3.0軟件建立。該軟件提供了適合巖土的7種材料本構模型和5種節(jié)理本構模型，能夠較好地適應不同巖性和不同開挖狀態(tài)條件下的巖層運動需要，是目前模擬巖層破斷后移動過程較為理想的數(shù)值模擬軟件。UDEC能夠分析研究直接和不連續(xù)特征相關的潛在的巖體破壞方式及煤層開挖后頂板垮落、離層的過程，可以較準確地分析條帶開采后覆巖的移動和地表的沉陷。

4.1 模型建立

表3 數(shù)值模型中巖性力學參數(shù)Tab.3 Numerical model of rock mechanics parameters

模型中巖性分布情況根據(jù)吉克煤礦首采101采區(qū)ZK2203鉆孔柱狀進行劃分，模型總長度為500 m，總高度為300 m。模型中各巖層巖性物理力學參數(shù)如表3所示。實際數(shù)值模型見圖1。

4.2 模擬結果分析

通過在M9煤層頂板布置的測線，監(jiān)測M11煤層開采對M9煤層的卸壓效果。工作面開采至40 m時，垮落帶發(fā)育到最大高度并保持穩(wěn)定，此時導水裂隙帶發(fā)育高度約為10 m，M9煤層中部測線應力變化穩(wěn)定，因此可以判斷，此時還沒有達到預期的卸壓效果。

工作面繼續(xù)向前開采至120 m時，導水裂隙帶發(fā)育至M9煤層，兩層煤之間基巖出現(xiàn)大量裂隙空間。圖2為開采120 m時M9煤層中垂直應力分布情況。M9煤層中的垂直應力均明顯低于原巖應力值，說明在開采M11煤層之后，完全可以達到對M9煤層的卸壓效果。

當工作面開采至120 m時，導水裂隙帶發(fā)育至最大高度達26 m，說明M9煤層已經(jīng)處于導水裂隙帶之內(nèi)，但由于裂縫并非充分發(fā)育，因此在進行長期穩(wěn)定或簡單修護之后，仍然可以進行后期巷道系統(tǒng)的布置。

數(shù)值模擬結果與理論計算結果基本一致，即M11煤層開采之后，導水裂隙帶頂部發(fā)育至M9煤層，起到對M9煤層的卸壓作用。M9煤層受采動影響長期穩(wěn)定之后，仍具有開采的可行性。

5 結論

采取比值法、“三帶”判別法以及數(shù)值模擬計算等方法，M11煤層開采后，垮落帶高度為8－9 m，導水裂隙帶高度為21.2－32.4 m，導水裂隙帶頂部可以發(fā)育到M9煤層，實現(xiàn)預期的卸壓效果，M9煤層經(jīng)過長期穩(wěn)定或簡單修護后，可以繼續(xù)開采。

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［8] 國家煤炭工業(yè)局.建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規(guī)程［M] .北京:煤炭工業(yè)出版社，2000.