崔家寨礦近距離煤層上行開(kāi)采的可行性研究

侯憲明

（大同鵲山高家窯煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 大同 037100）

1 煤層概況

崔家寨礦主采6號(hào)、5號(hào)煤層，生產(chǎn)能力180萬(wàn)t/a。5號(hào)煤層平均厚度4.1m，埋深350～400m，傾角0～8°；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定可采，其頂板較平緩，巖性主要為粉砂巖、細(xì)砂巖，屬堅(jiān)硬頂板。6號(hào)煤層厚度3.5～4m，平均厚度3.2 m，傾角小于8°，為穩(wěn)定可采煤層。6號(hào)煤層與5號(hào)煤層的層間距16～32m，平均22.12m，屬于近距離煤層群。根據(jù)地質(zhì)勘探資料，由于周邊小煤礦對(duì)5號(hào)煤破壞性開(kāi)采，使5號(hào)煤層形成了不同大小的采空區(qū)，迫使崔家寨礦不得不采用近距離煤層上行開(kāi)采技術(shù)開(kāi)采6號(hào)煤層。

2 理論分析

當(dāng)煤層群中的下部煤開(kāi)采后，其上部巖層將受到一定程度的破壞，根據(jù)破壞程度的不同，可將巖層分為垮落帶、裂隙帶、彎曲下沉帶[1]。當(dāng)上部煤層處于冒落帶時(shí)，煤層將遭受?chē)?yán)重破壞,無(wú)法開(kāi)采；當(dāng)上部煤層處于裂縫帶時(shí)，煤層發(fā)生中等程度的破壞，采取一定的安全措施后可以開(kāi)采；當(dāng)上部煤層處于彎曲帶時(shí)，上部煤層整體移動(dòng)的基本結(jié)構(gòu)不受破壞，可以開(kāi)采[2]。

根據(jù)“三帶”判別[3]，5號(hào)煤頂板巖層主要有細(xì)砂巖、中砂巖等組成，屬中硬巖層。冒落帶高度Hm算式如下：

裂隙帶高度Hm算式如下：

以上計(jì)算結(jié)果，由5、6號(hào)煤層間距22.12 m可知：5號(hào)煤上方直接頂處在冒落帶范圍之內(nèi)，老頂處在裂隙帶下位巖層中，裂隙較發(fā)育，6號(hào)煤位于5號(hào)煤開(kāi)采后的裂隙帶中部。6號(hào)煤在采取一定安全措施后可以進(jìn)行回采。

3 數(shù)值模型建立

根據(jù)崔家寨礦回采工作面的實(shí)際開(kāi)采條件，采用UDEC計(jì)算軟件建立水平數(shù)值計(jì)算模型，按5號(hào)煤開(kāi)挖后“三帶”的特征，研究6號(hào)煤在5號(hào)煤開(kāi)挖后的圍巖應(yīng)力及其圍巖變形。巖層物理力學(xué)參數(shù)，如表1所示，數(shù)值模擬物理模型，見(jiàn)圖1。

表1 巖層的物理力學(xué)參數(shù)

圖1 數(shù)值模擬的物理模型

4 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

5號(hào)煤開(kāi)挖計(jì)算穩(wěn)定后，頂板冒落、巖層活動(dòng)、三帶分布、裂隙分布、位移矢量、垂直應(yīng)力、水平應(yīng)力曲線(xiàn)見(jiàn)圖2。圖中位移矢量圖中的箭頭代表位移的方向，箭頭的長(zhǎng)短代表位移的大?。粦?yīng)力圖中的數(shù)值代表應(yīng)力等值線(xiàn)上的應(yīng)力大小，正的數(shù)值代表壓應(yīng)力，單位MPa。從圖看出：在計(jì)算穩(wěn)定后，5號(hào)煤直接頂冒落，冒落巖塊在采空區(qū)壓實(shí)；老頂周期性斷裂，斷裂后在冒落巖塊上有規(guī)律地成砌體梁分布。冒落帶從5號(hào)煤層頂部到直接頂?shù)纳喜?，高?0m左右；裂隙帶從5號(hào)煤的直接頂?shù)纳喜康?號(hào)煤的老頂，高度30 m左右；以裂隙帶以上直到地面為彎曲下沉帶。由模擬結(jié)果明顯看出6號(hào)煤位于5號(hào)煤層裂隙帶范圍之內(nèi)。

圖2 計(jì)算穩(wěn)定后數(shù)值模擬結(jié)果

5號(hào)煤開(kāi)挖空間周?chē)膸r體向開(kāi)挖空間內(nèi)移動(dòng)，頂板和兩幫圍巖移動(dòng)量最大，頂板圍巖移動(dòng)量4 m左右，兩幫圍巖移動(dòng)量9.5m左右；其中距離頂板10m范圍內(nèi)的圍巖移近量最大。開(kāi)挖空間周?chē)綉?yīng)力在兩幫逐漸增大，在距離開(kāi)挖邊界30m處達(dá)到原巖應(yīng)力。在開(kāi)挖空間的頂部有一個(gè)應(yīng)力降低區(qū)，距離開(kāi)挖空間40 m處，應(yīng)力降到最小值2 MPa。在距離開(kāi)挖空間頂部40 m，水平距離為120m的兩邊各有一個(gè)應(yīng)力增高區(qū)，最大值可達(dá)13 MPa。5號(hào)煤開(kāi)挖空間周?chē)怪睉?yīng)力在兩幫先增大、后減小，在距離開(kāi)挖邊界50m處達(dá)到最大值13MPa，頂?shù)装宓膽?yīng)力隨著遠(yuǎn)離開(kāi)挖空間而逐漸增大，直到距離5號(hào)煤層頂板40m左右達(dá)到原巖應(yīng)力。由模擬結(jié)論知：在距離5號(hào)煤層頂板10 m范圍內(nèi)，圍巖移近量、圍巖應(yīng)力都較大，不宜布置工作面。在距離5號(hào)煤層頂板10m到40 m范圍之內(nèi)，圍巖移近量和應(yīng)力不穩(wěn)定，此時(shí)布置工作面必須采取相應(yīng)的安全措施（防止圍巖變形）。在距離5號(hào)煤層頂板40 m以外的地方，布置工作面最為安全，且工作面長(zhǎng)度不宜大于120m。

5 結(jié)束語(yǔ)

1）根據(jù)理論計(jì)算，5號(hào)煤回采頂板冒落帶高度10.71 m左右，裂隙帶高度39.19m。6號(hào)煤層處于裂隙內(nèi)，采取相應(yīng)安全措施后方可開(kāi)采。

2）通過(guò)數(shù)值模擬結(jié)果，5號(hào)煤和6號(hào)煤進(jìn)行上行開(kāi)采的安全間隔距離應(yīng)大于或等于40m。5號(hào)煤和6號(hào)煤之間上行開(kāi)采的可行距離應(yīng)大于或等于10m。

3）崔家寨礦采用近距離煤層上行開(kāi)采技術(shù)切實(shí)可行。

[1]汪理全，李中頏.煤層(群)上行開(kāi)采技術(shù)[M].北京:煤炭工業(yè)出版社，1995.

[2]韓軍.開(kāi)灤礦區(qū)近距離煤層群上行開(kāi)采可行性研究[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2011,39(10):14-17.

[3]錢(qián)鳴高,石平五,許家林.礦山壓力與巖層控制[M].北京:中國(guó)礦業(yè)大學(xué),2010.