近距離煤層堅(jiān)硬頂板上行開采可行性論證與實(shí)踐*

岳軍文劉義新李 峰高 凱

（1.河南能源化工集團(tuán)新疆投資控股有限公司，新疆維吾爾自治區(qū)烏魯木齊市，830026；2.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司安全分院，北京市朝陽區(qū)，100013；3.新疆龜茲礦業(yè)有限公司，新疆維吾爾自治區(qū)阿克蘇地區(qū)，842000）

近距離煤層堅(jiān)硬頂板上行開采可行性論證與實(shí)踐*

岳軍文1劉義新2李 峰3高 凱3

（1.河南能源化工集團(tuán)新疆投資控股有限公司，新疆維吾爾自治區(qū)烏魯木齊市，830026；2.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司安全分院，北京市朝陽區(qū)，100013；3.新疆龜茲礦業(yè)有限公司，新疆維吾爾自治區(qū)阿克蘇地區(qū)，842000）

鑒于上行開采影響因素復(fù)雜，根據(jù)新疆龜茲礦業(yè)西井近距離煤層堅(jiān)硬頂板等具體地質(zhì)采礦條件，首先基于傳統(tǒng)的比值判別法、“三帶”判別法、數(shù)理統(tǒng)計(jì)法和圍巖平衡法的初步判別，再進(jìn)一步通過井下探測、相似模擬和數(shù)值模擬及工程類比等方法，論證了上行開采的可行性。結(jié)果表明：盡管上下煤層層間距近，不能滿足比值判別法中采動(dòng)影響倍數(shù)的要求，但鑒于層間堅(jiān)硬巖層的控制作用，該礦上行開采是可行的?，F(xiàn)場開采實(shí)踐證實(shí)了上行開采也是可行的。

煤炭開采 上行開采 近距離煤層 堅(jiān)硬層間巖層 可行性研究

新疆龜茲礦業(yè)有限公司作為河南能化集團(tuán)新疆公司的主力礦井，下設(shè)東、西兩個(gè)礦井。西井在開采初期先主采A6煤層，目前急需上行開采上部約17.1 m處的A6-1煤層，計(jì)劃在A603工作面已采空區(qū)域上方A6-1煤層中布置A6-103綜放工作面進(jìn)行上行開采。在A603工作面開采過程中，揭露的頂板完整性好，開采過程中較難垮落，屬堅(jiān)硬完整難冒頂板。在近距離煤層、堅(jiān)硬頂板雙重因素影響下，客觀上對上行開采提出了更高的要求。為實(shí)現(xiàn)A6-1煤層安全上行開采，最大限度安全回收煤炭資源，采前需要進(jìn)行近距離煤層堅(jiān)硬頂板條件下上行開采可行性論證與應(yīng)用研究。

1　上行開采區(qū)地質(zhì)采礦條件概況

A6-1煤層與A6煤層間距為14.9～19.1 m，平均間距為17.1 m。上行開采區(qū)為A6-1煤層的A6-103工作面。A6-103工作面是A6-1煤層中的第3個(gè)采煤工作面，東鄰A6-101工作面采空區(qū)，西至井田邊界保護(hù)煤柱，南部為A6-102工作面采空區(qū)，北鄰A6-100設(shè)計(jì)工作面，下部存在A603工作面里端采空區(qū)。A603工作面里端采空區(qū)長約920 m，斜長155 m，平均采厚3 m，采煤方法為綜采，全部垮落法管理頂板，開采時(shí)間為2011年9月-2012年5月。

區(qū)域內(nèi)出露的地層由老至新分別為侏羅系下統(tǒng)塔里奇克組，第四系上更新統(tǒng)-全新統(tǒng)及沖、洪積層和風(fēng)積崩積層。其中，第四系地層厚度約0.5～5 m，巖性主要為砂土、礫石、亞砂土、粘土與碎石等。地面標(biāo)高+1935 m，工作面標(biāo)高+1720～+1775 m，工作面地表是層巒的天山山脈。

區(qū)域內(nèi)含煤地層為侏羅系下統(tǒng)塔里奇克組下段，A6-1煤層平均厚度約5 m，煤層結(jié)構(gòu)簡單，屬穩(wěn)定煤層。煤層傾角3°～25°，平均傾角10°。A6-1煤層直接頂主要為炭質(zhì)泥巖、含泥中砂巖，老頂為中砂巖、粗砂巖，底板為中砂巖。

區(qū)域內(nèi)主要充水水源為煤層頂板砂巖裂隙水，以淋、滴水形式補(bǔ)給工作面，下部A6煤層回采過程中已對頂板水進(jìn)行了疏放，頂板含水層富水性弱，補(bǔ)給條件差，水文條件簡單。區(qū)域內(nèi)未發(fā)現(xiàn)明顯的斷裂構(gòu)造，為一寬緩向斜構(gòu)造，屬構(gòu)造簡單類型。

A6-103工作面呈東西走向，長約1160 m，斜長157 m，采用長壁式綜放開采，采煤機(jī)割底煤高度為2.8 m，放煤高度為2.2 m，全部垮落法管理頂板。A6-103工作面可采儲(chǔ)量約101萬t，服務(wù)年限約13個(gè)月。

2　上行開采可行性論證

判斷能否進(jìn)行上行開采的關(guān)鍵是下煤層開采后對上煤層的破壞和影響程度，主要取決于上下煤層層間距、層間巖性及結(jié)構(gòu)、下煤層的采煤方法及采凈程度以及上下煤層開采時(shí)間間隔等。國內(nèi)外已積累了許多判定上行開采可行性的研究方法和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，目前國內(nèi)普遍采用比值法、“三帶”判別法等傳統(tǒng)方法進(jìn)行論證。但因上行開采的影響因素眾多，很難得出某個(gè)（些）因素與上行開采可行性之間的定量關(guān)系，更多時(shí)候還需進(jìn)一步論證上行開采可行性。針對龜茲礦西井上行開采區(qū)具體的地質(zhì)采礦條件，基于上行開采可行性的傳統(tǒng)分析方法，通過井下探測、相似模擬和數(shù)值模擬相結(jié)合以及工程類比等多種方法進(jìn)行上行開采可行性的綜合分析。

2.1傳統(tǒng)方法論證

上行開采可行性論證和判別方法主要有比值判別法、三帶判別法、圍巖平衡法、數(shù)理統(tǒng)計(jì)法等傳統(tǒng)方法和經(jīng)驗(yàn)公式，同時(shí)要滿足時(shí)間間隔要求。

2.1.1比值判別法

受下部單一煤層采動(dòng)影響時(shí)，定義上下煤層層間距與下煤層采厚的比值為采動(dòng)影響倍數(shù)K。龜茲礦A6-103工作面所屬A6-1煤層與A6煤層間距14.9～19.1 m，平均間距為17.1 m，A6煤層的開采厚度3 m，根據(jù)采支影響倍數(shù)定義，采動(dòng)影響倍數(shù)為4.4～6.4，平均5.7，而堅(jiān)硬頂板條件下滿足上行開采的采動(dòng)影響倍數(shù)需達(dá)到8，因此，上行開采不能正常進(jìn)行。

2.1.2三帶判別法

三帶判別法的基本觀點(diǎn)為上煤層處于下煤層開采引起的三帶中位置不同，破壞程度不同，可采性不一樣。上煤層位于垮落帶之內(nèi)時(shí)會(huì)遭到嚴(yán)重破壞，無法上行開采；上煤層位于裂縫帶之內(nèi)時(shí)會(huì)發(fā)生中等程度破壞，采取一定安全技術(shù)措施可以開采；上煤層位于彎曲帶內(nèi)時(shí)只產(chǎn)生整體移動(dòng)，結(jié)構(gòu)不受破壞，可以正常開采?？梢?，三帶判別法關(guān)鍵是計(jì)算下煤層開采引起的三帶高度。對于緩斜和傾斜煤層，當(dāng)煤層頂板覆巖為堅(jiān)硬、中硬、軟弱、極軟弱巖層或互層時(shí)，垮落帶和裂縫帶最大高度Hm和Hli可按 《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)及壓煤開采規(guī)程》中給出的預(yù)測公式計(jì)算。如果煤層頂板覆巖內(nèi)有極堅(jiān)硬巖層，采后能形成懸頂時(shí)，垮落帶Hm最大高度計(jì)算式：

式中：Hm——垮落帶最大高度，m；

M——下煤層采厚，取3.0 m；

Kp——巖石碎脹系數(shù)，取2；

α——煤層傾角，取10°。

龜茲礦上行開采區(qū)附近鉆孔揭露A6-1煤層與A6煤層間巖層主要為中砂巖、粗砂巖和礫巖，含少量泥巖，以中砂巖為主，約占層間巖層厚度的76%～80%，且煤巖試驗(yàn)測定中砂巖的單軸抗壓強(qiáng)度為67.5～105.6 MPa，平均單軸抗壓強(qiáng)度為91.1 MPa，為極堅(jiān)硬性巖性，采后能形成懸頂。A6煤層采厚3 m，巖石碎脹系數(shù)2，代入式（1）計(jì)算得垮落帶最大高度為3 m。而A6-1煤層與A6煤層間距大于垮落帶高度3 m，可見，A6-1煤層處于A603工作面開采引起的裂縫帶之內(nèi)或彎曲帶內(nèi)，A6-1煤層的結(jié)構(gòu)只發(fā)生中等程度破壞或彎曲下沉，故A6-1煤層采取一定措施可以正常進(jìn)行上行開采。

2.1.3圍巖平衡法

圍巖平衡法的基本觀點(diǎn)是將采動(dòng)覆巖破壞在垂直方向上的垮落帶、裂縫帶及彎曲下沉帶可相應(yīng)地定義為非平衡帶（即垮落帶）、部分平衡帶（相當(dāng)于裂縫帶的下位巖層）、平衡帶（相當(dāng)于裂縫帶的上位巖層）。平衡帶內(nèi)巖層形成以工作面煤壁及上覆巖層-矸石為支撐體系的巖層結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)內(nèi)通常不發(fā)生臺(tái)階錯(cuò)動(dòng)。上行開采中，將不發(fā)生臺(tái)階錯(cuò)動(dòng)巖層結(jié)構(gòu)稱為平衡巖層。從下煤層頂板至平衡巖層頂面的高度叫圍巖平衡高度。因此，當(dāng)上煤層位于距下煤層最近的平衡巖層之上時(shí)，即可上行開采。圍巖平衡巖層高度計(jì)算式：

式中：Hp——圍巖平衡巖層高度，m；

hp——平衡巖層本身的厚度，取8.7 m。

根據(jù)上行開采區(qū)域附近揭露的2個(gè)鉆孔巖性可知，A6-1煤層與A6煤層間有大于下煤層采高的堅(jiān)硬巖層，為厚約8.7 m的中粗砂巖，其在采煤引起的巖層移動(dòng)中能起平衡作用，可阻止上覆煤巖層發(fā)生臺(tái)階錯(cuò)動(dòng)，根據(jù)式（2）計(jì)算，圍巖平衡高度為11.7 m，可見，A6-1煤層位于距A6煤層最近的平衡巖層（厚約8.7 m的中粗砂巖）之上，可正常進(jìn)行上行開采。

2.1.4數(shù)理統(tǒng)計(jì)法

煤炭科學(xué)研究院北京開采所劉天泉院士根據(jù)我國煤礦的104例受下部一層煤層采動(dòng)影響的上行開采實(shí)例，分析回歸出求算上行開采的必要層間距經(jīng)驗(yàn)公式：

式中：H——上行開采的必要層間距，m。

Ms——上煤層煤厚，取5.0 m。

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式（3）計(jì)算得層間距為19.4 m，而A6-1煤層與A6煤層層間距近似滿足數(shù)理統(tǒng)計(jì)法要求的必須層間距，故該礦A6-1煤層采取一定措施可以進(jìn)行上行開采。

2.1.5時(shí)間間隔分析

下部煤層采出后，覆巖垮落、斷裂、移動(dòng)變形至移動(dòng)穩(wěn)定需要一定的時(shí)間。所以，上行開采時(shí)開采間隔時(shí)間要足夠，否則，即使有足夠?qū)娱g距，開采上煤層也會(huì)遇到困難。

A603工作面里端部分開采結(jié)束時(shí)間距開采A6 -103工作面時(shí)間已2年多，滿足上下煤層開采的間隔時(shí)間為3～10個(gè)月的要求。

2.1.6傳統(tǒng)方法分析結(jié)果

通過上述傳統(tǒng)方法分析可見，該區(qū)域上行開采能滿足時(shí)間間隔的要求，但4種判別方法給出的上行開采是否可行存在一定的異議。鑒于我國已有部分礦區(qū)已在近距離條件下成功進(jìn)行了上行開采的經(jīng)驗(yàn)，故需要進(jìn)一步結(jié)合現(xiàn)場探測、模擬研究以及工程類比等手段，綜合分析該區(qū)域上行開采是否可行。

2.2現(xiàn)場探測結(jié)果與分析

為準(zhǔn)確掌握A6-1煤層受采動(dòng)影響的破壞程度，采用探巷的方法觀測A6-1煤層的賦存狀況、圍巖特性、下沉情況等。通過對A6-103工作面上下平巷觀測表明，除局部位置出現(xiàn)少量裂縫外，A6-1煤層的結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生大的變化，煤層的完整性和連續(xù)性較好，基本上沒有遭到破壞，沒見明顯的臺(tái)階下沉、臺(tái)階錯(cuò)動(dòng)和大裂隙，因此，可以進(jìn)行上行開采。

2.3模擬研究分析

為直觀展現(xiàn)A603工作面開采后A6-1煤層的破壞和移動(dòng)規(guī)律，分別采用相似材料模擬和UDEC數(shù)值模擬方法，研究A6-103工作面上行開采的可行性。模擬研究均表明，A603工作面的開采未使A6-1煤層的A6-103工作面上行開采區(qū)域煤層的連續(xù)性發(fā)生明顯變化，煤層連續(xù)性、完整性較好，無臺(tái)階錯(cuò)動(dòng)。因此，A6-1煤層開采區(qū)域具有上行開采的可行性。

2.4工程類比分析

目前我國采用垮落法在采動(dòng)影響倍數(shù)不滿足要求的條件下進(jìn)行上行開采都有成功的應(yīng)用實(shí)例，部分礦區(qū)甚至存在采動(dòng)影響倍數(shù)小于3的情況進(jìn)行了上行開采。另外，有文獻(xiàn)指出當(dāng)層間巖層有厚層狀剛性、韌性巖層時(shí)，上煤層所受到的破壞性影響很小。例如在雞西立新煤礦和蛟河煤礦的上行開采實(shí)例中，層間巖層均以砂巖為主，在采動(dòng)影響倍數(shù)僅為4的情況下，采掘也是正常的。通過類比對象的分析得出，龜茲礦西井上行開采區(qū)無論是地質(zhì)條件，開采方法及采動(dòng)影響系數(shù)等均與目前已經(jīng)進(jìn)行過上行開采的礦井相似或相近，因此，龜茲礦西井A6-103進(jìn)行上行開采是可行的。

2.5上行開采綜合分析結(jié)果

通過上述多種方法分析了龜茲礦西井A6-103工作面上行開采的可行性，并結(jié)合國內(nèi)已有的上行開采成功案例，盡管上行開采不滿足采動(dòng)影響倍數(shù)的要求，但綜合分析A6-103工作面可以進(jìn)行上行開采。

3　上行開采實(shí)踐

A6-103工作面采用長壁綜放上行開采，工作面上、下兩巷道主要采用錨桿+錨索+金屬網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)，同時(shí)下運(yùn)輸巷在上述聯(lián)合支護(hù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行架棚加強(qiáng)支護(hù)。工作面采用ZF4800/17/30型放頂煤液壓支架，過渡架為ZFG4800/19/32型液壓支架，上、下兩巷道超前支護(hù)采用ZC32000/18/34型超前支架、1.2 m鉸接頂梁、DW315單體液壓支柱聯(lián)合支護(hù)。工作面整個(gè)開采過程工作面頂?shù)装寮懊簩游窗l(fā)現(xiàn)大的裂縫和斷裂以及臺(tái)階錯(cuò)動(dòng)現(xiàn)象，工作面和巷道礦壓顯現(xiàn)不明顯。開采過程中，為保證工作面的安全開采，采取了一定的安全技術(shù)措施，如打鉆探測層間巖層垮落情況、加強(qiáng)工作面和巷道礦壓觀測以及底板沉降觀測和底板破裂情況微震監(jiān)測預(yù)警等。

4　結(jié)論

（1）根據(jù)以上分析論證和開采實(shí)踐可得龜茲礦西井位于A6煤層上的A6-1煤層在近距離堅(jiān)硬層間巖層條件下可以安全上行開采。上行開采的成功為類似條件下的上行開采提供了寶貴的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

（2）上行開采的可行性論證不能僅局限于比值判別法、三帶判別法、圍巖平衡法、數(shù)理統(tǒng)計(jì)法等傳統(tǒng)方法，有時(shí)尚需進(jìn)一步論證，應(yīng)結(jié)合具體地質(zhì)采礦條件和一定的手段進(jìn)行綜合分析判定。

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Feasibility research and practice of ascending mining method in close distance coal seams with tight roof

Yue Junwen1，Liu Yixin2，Li Feng3，Gao Kai3
（1.Xinjiang Investment holdings Co.，Ltd.，Henan Energy Chemical Industry Group，Urumqi，Xinjiang 830026，China；2.Mine Safety Technology Branch of China Coal Research Institute，Chaoyang，Beijing 100013，China；3.Xinjiang Qiuci Mining Industry Co.，Ltd.，Aksu，Xinjiang 842000，China）

In view of the complex influence factors of ascending mining and according to the specific geology and mining conditions of the western mine in Xinjiang Qiuci Mining Industry，such as the close distance coal seams with tight roof，the feasibility of ascending mining method was demonstrated based on traditional ratio discriminance，three zones discriminance，manthematical statistics，surrounding rock balance method，analog simulation，numerical simulation，underground detection and engineering analogy.The results showed that although the upper and underlying coal seams was close and could not meet the requirement of mining influence multiple of ratio discriminance，the ascending mining method was feasible in view of the control action of hard rock stratum between coal seams，which was also proved by the mining practice.

coal mining，ascending mining，close distance coal seam，hard rock stratum between coal seams，feasibility research

TD823

A

岳軍文（1969-），男，河南南陽市人，碩士，高級工程師，1991年畢業(yè)于焦作礦業(yè)學(xué)院，長期從事煤礦現(xiàn)場技術(shù)管理、復(fù)雜條件采煤工藝研究。

（責(zé)任編輯 張毅玲）

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51404139）