近距離薄煤層上行開(kāi)采可行性分析與實(shí)踐

文/劉小強(qiáng)唐建新

近距離薄煤層上行開(kāi)采可行性分析與實(shí)踐

文/劉小強(qiáng)唐建新

達(dá)竹公司小河嘴煤礦24#煤層瓦斯含量高，2016（24）工作面在開(kāi)采時(shí)出現(xiàn)淋水，頂板管理較為困難，工作面月推進(jìn)度僅8～30m，長(zhǎng)期達(dá)不到設(shè)計(jì)產(chǎn)量的要求。為此，小河嘴煤礦決定實(shí)驗(yàn)上行開(kāi)采，即先采下方22煤層。上行開(kāi)采是一種特殊的開(kāi)采方法，這種方式有利于改善上層煤頂板管理?xiàng)l件，方便排水、瓦斯抽放等問(wèn)題。本文通過(guò)研究和分析，弄清影響上行薄煤層綜采的主要因素，對(duì)上行開(kāi)采的可行性及效果進(jìn)行分析和評(píng)估，為小河嘴煤礦推廣應(yīng)用近距離上行薄煤層綜采提供可靠的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和理論依據(jù)。

一、工作面概況

小河嘴煤礦2016（24）工作面地面標(biāo)高580.0～648.1m，走向長(zhǎng)743.5m，傾斜長(zhǎng)117.8m。2016（22）工作面位于其底板19.7m處，初采位置與其切眼相距120米，東側(cè)為2012（22）工作面采空區(qū)；走向長(zhǎng)718.7m，傾斜長(zhǎng)102m。24#煤厚度0.3m～0.75m，層厚不穩(wěn)定，平均0.58m，傾角3°～24°；22#煤厚度0.49～0.95m，層厚穩(wěn)定，平均0.64m，傾角4°～28°；兩煤層煤質(zhì)硬度小，脆度大，外生裂隙發(fā)育，常被方解石充填，屬半暗-半亮型煤，對(duì)回采有一定影響。2016（24）工作面有斷層構(gòu)造，無(wú)褶曲；屬于堅(jiān)硬裂隙巖層為主的簡(jiǎn)單型水文。

二、上行開(kāi)采可行性分析

1.可行性理論判別

（1）比值判別法。上行開(kāi)采時(shí)，當(dāng)下部開(kāi)采一個(gè)煤層時(shí)，用比值K來(lái)判別。

2016（22）工作面對(duì)位于其下方的2016（24）工作面的采動(dòng)影響系數(shù)K為26.3，兩層煤之間巖性基本上為砂質(zhì)泥巖，是中硬巖層。我國(guó)上行開(kāi)采的實(shí)踐和研究表明：當(dāng)下部開(kāi)采一個(gè)煤層時(shí)，對(duì)于中硬巖層，K＞7.5就可上行開(kāi)采。故2016（24）工作面可進(jìn)行上行開(kāi)采。

（2）“三帶”判別法。覆巖破壞高度和破壞特征，是衡量上行開(kāi)采時(shí)對(duì)上部煤層采動(dòng)影響的主要標(biāo)志。國(guó)內(nèi)外上行開(kāi)采實(shí)例表明：當(dāng)上下煤層的層間距大于下煤層的裂縫帶高度時(shí)，上煤層只發(fā)生整體移動(dòng)，整體性不受破壞，可正常進(jìn)行上行開(kāi)采。

經(jīng)計(jì)算得出：22煤層開(kāi)采后的垮落帶高度為1.51m，導(dǎo)水裂縫帶高度為9.0±5.1m，而24煤層與22煤層間距為19.7m，大于22煤層開(kāi)采后的裂縫帶高度，因此可判斷24煤層只發(fā)生整體移動(dòng)，可正常進(jìn)行上行開(kāi)采。

（3）圍巖平衡法。在回采過(guò)程中，能夠形成不發(fā)生臺(tái)階錯(cuò)動(dòng)的平衡巖層結(jié)構(gòu)的巖層稱(chēng)為平衡巖層。從下煤層頂板至平衡巖層頂板的高度為圍巖平衡高度。上行開(kāi)采時(shí)，當(dāng)垮落帶之上的采場(chǎng)覆巖中有堅(jiān)硬且厚度大于2m的巖層時(shí)，該類(lèi)巖層為平衡巖層，上煤層應(yīng)位于距下煤層最近的平衡巖層之上。

根據(jù)綜合柱狀圖，22煤層上方7.99m處厚度為3.68m的粉砂巖位于垮落帶上方，裂隙不發(fā)育，不發(fā)生臺(tái)階下沉，為第一平衡巖層。

24煤層與22煤層間距19.7m，位于平衡巖層上方，自身可形成平衡巖層結(jié)構(gòu)，層間不發(fā)生錯(cuò)動(dòng)，上行開(kāi)采可正常進(jìn)行。

（4）時(shí)間間隔判定。在沒(méi)有實(shí)測(cè)的采場(chǎng)上覆巖層的移動(dòng)時(shí)間的情況下，根據(jù)K=36.4，則2016（24）工作面開(kāi)采的間隔時(shí)間為5.9月。

2.數(shù)值模擬分析

根據(jù)工作面地質(zhì)條件，小河嘴煤礦采用計(jì)算機(jī)對(duì)2016（22）工作面開(kāi)采上覆巖層破壞、離層情況和24煤層垂直壓力、位移等情況進(jìn)行模擬。數(shù)值模型塊體采用摩爾－庫(kù)侖塑性模型，節(jié)理采用節(jié)理面接觸－庫(kù)侖滑移模型。

（1）頂板變形破壞規(guī)律。通過(guò)對(duì)工作面推進(jìn)12m、24m、36m、50m、160m時(shí)頂板移動(dòng)情況和塑性破壞分布進(jìn)行模擬：

①22煤層工作面推進(jìn)12m時(shí)，直接頂初次垮落。基本頂未發(fā)生斷裂，在其下方形成離層空間，此時(shí)塑性破壞未影響到第一層關(guān)鍵層（粉砂巖）及上方巖層；

②隨著工作面進(jìn)一步推進(jìn)，第一層關(guān)鍵層彎曲下沉，離層向上部基巖內(nèi)擴(kuò)展。工作面推進(jìn)24m時(shí)，基本頂初次來(lái)壓，在采空區(qū)中部趨于壓實(shí)，采空區(qū)兩側(cè)各保持一個(gè)離層區(qū)；此時(shí)第二層關(guān)鍵層下方出現(xiàn)離層裂隙，塑性破壞直接影響24煤層；

③工作面推進(jìn)36m時(shí)，基本頂周期來(lái)壓，第二層關(guān)鍵層塑性破壞，下方離層裂隙中部壓實(shí)。工作面推進(jìn)50m時(shí)，第二層關(guān)鍵層下部離層裂隙閉合。之后隨著工作面的推進(jìn)，上覆巖層周期垮落、破壞，最終塑性破壞影響到邊界。

24煤層在下煤層開(kāi)挖過(guò)程中，未發(fā)生臺(tái)階下沉，煤層附近塑性破壞不嚴(yán)重，位于平衡巖層上方，自身可形成平衡巖層結(jié)構(gòu)，層間不發(fā)生錯(cuò)動(dòng)，上行開(kāi)采可正常進(jìn)行。

（2）24煤層垂直應(yīng)力和位移變化規(guī)律。

垂直應(yīng)力。隨采空區(qū)范圍不斷擴(kuò)大，24煤層應(yīng)力重新分布，垂直應(yīng)力可分為：應(yīng)力增高區(qū)、應(yīng)力卸壓區(qū)和應(yīng)力穩(wěn)定區(qū)。充分采動(dòng)階段，應(yīng)力增高區(qū)支承壓力峰值基本保持穩(wěn)定，為原巖應(yīng)力的1.5倍。隨著工作面推進(jìn)，采空區(qū)上方巖層開(kāi)始?jí)簩?shí)，采空區(qū)上方應(yīng)力卸壓區(qū)開(kāi)切眼前方壓力峰值逐漸降低，推進(jìn)80m后壓力峰值保持穩(wěn)定，為原巖應(yīng)力的0.49倍，工作面后方10m時(shí)壓力接近為零。推進(jìn)80m后采空區(qū)上方出現(xiàn)應(yīng)力穩(wěn)定區(qū)，范圍為工作面后方40m，說(shuō)明工作面采過(guò)40m，矸石基本壓實(shí)，應(yīng)力穩(wěn)定區(qū)垂直應(yīng)力基本等于原巖應(yīng)力。

垂直位移。隨著工作面推進(jìn)，上覆巖層離層斷裂、彎曲下沉，24煤層下沉量不斷增大。充分采動(dòng)階段，位移下沉呈U型分布，下沉最大值基本位于工作面采空區(qū)正上方。工作面推進(jìn)50m，下沉達(dá)到最大值為0.360m；隨著采空區(qū)矸石的不斷壓實(shí)，采空區(qū)上方下沉趨于穩(wěn)定，位移下沉呈倒鐘形。

24煤層位移比較平緩，未出現(xiàn)臺(tái)階錯(cuò)動(dòng)，保持連續(xù)性，上行開(kāi)采可正常進(jìn)行。

三、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)及分析

為研究2016（22）工作面開(kāi)采對(duì)上方2016(24)工作面煤層及巷道變形破壞的影響，掌握頂板的活動(dòng)規(guī)律，從而了解上行開(kāi)采實(shí)踐效果，小河嘴煤礦對(duì)2016（24）工作面風(fēng)巷展開(kāi)了為期7個(gè)月的礦壓觀測(cè)。

1.表面位移。頂板巷道活動(dòng)可分為起始活動(dòng)期、強(qiáng)烈活動(dòng)期和活動(dòng)衰退期。起始活動(dòng)期：頂?shù)装遄畲笠平俣?.5mm/d，累積移近量10mm，兩幫最大移近速度2.5mm/ d，累積移近量10mm；強(qiáng)烈活動(dòng)期：頂?shù)装遄畲笠平俣?7.5mm/d，累積移近量100mm，兩幫最大移近速度5mm/d，累積移近量為20mm；之后巷道基本穩(wěn)定，無(wú)明顯活動(dòng)衰退期。頂?shù)装蹇傄平繛?10mm，兩幫總移近量為30mm。

2.頂板離層。淺基點(diǎn)3m，位移最大值為0.7mm；深基點(diǎn)5.5m，沒(méi)有變化。

從礦壓監(jiān)測(cè)結(jié)果可知：2016（22）工作面開(kāi)采對(duì)上方2016(24)工作面煤層及巷道變形破壞的影響較小且在可控范圍內(nèi)，可通過(guò)采取一定的支護(hù)形式實(shí)現(xiàn)巷道圍巖的穩(wěn)定性。

四、結(jié)論

1.根據(jù)地質(zhì)條件確定合理的開(kāi)采時(shí)間是上行開(kāi)采的重要環(huán)節(jié)，上覆巖層變形與破壞情況是上行開(kāi)采是否可行的關(guān)鍵因素。一方面，在開(kāi)采下煤層時(shí)，嚴(yán)密監(jiān)測(cè)上煤層圍巖礦壓顯現(xiàn)規(guī)律；另一方面，通過(guò)采取一定的支護(hù)手段，加強(qiáng)上煤層圍巖的整體穩(wěn)定性。

2.小河嘴煤礦上行開(kāi)采試驗(yàn)表明：理論分析和數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)能較好地吻合；24煤層與22煤層間距大于22煤層開(kāi)采后的裂縫帶高度，且層間不發(fā)生錯(cuò)動(dòng)，上行開(kāi)采應(yīng)用效果良好，在取得了一定經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，對(duì)于同類(lèi)型礦井也有很好的借鑒價(jià)值。

（作者單位：四川達(dá)竹煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司小河嘴煤礦，重慶大學(xué)資源及環(huán)境科學(xué)學(xué)院）

（責(zé)任編輯：周瓊）