崔家寨礦近距離煤層上行開采的可行性研究

侯憲明

（大同鵲山高家窯煤業有限責任公司，山西 大同 037100）

1 煤層概況

崔家寨礦主采6號、5號煤層，生產能力180萬t/a。5號煤層平均厚度4.1m，埋深350～400m，傾角0～8°；結構簡單，穩定可采，其頂板較平緩，巖性主要為粉砂巖、細砂巖，屬堅硬頂板。6號煤層厚度3.5～4m，平均厚度3.2 m，傾角小于8°，為穩定可采煤層。6號煤層與5號煤層的層間距16～32m，平均22.12m，屬于近距離煤層群。根據地質勘探資料，由于周邊小煤礦對5號煤破壞性開采，使5號煤層形成了不同大小的采空區，迫使崔家寨礦不得不采用近距離煤層上行開采技術開采6號煤層。

2 理論分析

當煤層群中的下部煤開采后，其上部巖層將受到一定程度的破壞，根據破壞程度的不同，可將巖層分為垮落帶、裂隙帶、彎曲下沉帶[1]。當上部煤層處于冒落帶時，煤層將遭受嚴重破壞,無法開采；當上部煤層處于裂縫帶時，煤層發生中等程度的破壞，采取一定的安全措施后可以開采；當上部煤層處于彎曲帶時，上部煤層整體移動的基本結構不受破壞，可以開采[2]。

根據“三帶”判別[3]，5號煤頂板巖層主要有細砂巖、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：

以上計算結果，由5、6號煤層間距22.12 m可知：5號煤上方直接頂處在冒落帶范圍之內，老頂處在裂隙帶下位巖層中，裂隙較發育，6號煤位于5號煤開采后的裂隙帶中部。6號煤在采取一定安全措施后可以進行回采。

3 數值模型建立

根據崔家寨礦回采工作面的實際開采條件，采用UDEC計算軟件建立水平數值計算模型，按5號煤開挖后“三帶”的特征，研究6號煤在5號煤開挖后的圍巖應力及其圍巖變形。巖層物理力學參數，如表1所示，數值模擬物理模型，見圖1。

表1 巖層的物理力學參數

圖1 數值模擬的物理模型

4 數值計算結果分析

5號煤開挖計算穩定后，頂板冒落、巖層活動、三帶分布、裂隙分布、位移矢量、垂直應力、水平應力曲線見圖2。圖中位移矢量圖中的箭頭代表位移的方向，箭頭的長短代表位移的大小；應力圖中的數值代表應力等值線上的應力大小，正的數值代表壓應力，單位MPa。從圖看出：在計算穩定后，5號煤直接頂冒落，冒落巖塊在采空區壓實；老頂周期性斷裂，斷裂后在冒落巖塊上有規律地成砌體梁分布。冒落帶從5號煤層頂部到直接頂的上部，高度10m左右；裂隙帶從5號煤的直接頂的上部到6號煤的老頂，高度30 m左右；以裂隙帶以上直到地面為彎曲下沉帶。由模擬結果明顯看出6號煤位于5號煤層裂隙帶范圍之內。

圖2 計算穩定后數值模擬結果

5號煤開挖空間周圍的巖體向開挖空間內移動，頂板和兩幫圍巖移動量最大，頂板圍巖移動量4 m左右，兩幫圍巖移動量9.5m左右；其中距離頂板10m范圍內的圍巖移近量最大。開挖空間周圍水平應力在兩幫逐漸增大，在距離開挖邊界30m處達到原巖應力。在開挖空間的頂部有一個應力降低區，距離開挖空間40 m處，應力降到最小值2 MPa。在距離開挖空間頂部40 m，水平距離為120m的兩邊各有一個應力增高區，最大值可達13 MPa。5號煤開挖空間周圍垂直應力在兩幫先增大、后減小，在距離開挖邊界50m處達到最大值13MPa，頂底板的應力隨著遠離開挖空間而逐漸增大，直到距離5號煤層頂板40m左右達到原巖應力。由模擬結論知：在距離5號煤層頂板10 m范圍內，圍巖移近量、圍巖應力都較大，不宜布置工作面。在距離5號煤層頂板10m到40 m范圍之內，圍巖移近量和應力不穩定，此時布置工作面必須采取相應的安全措施（防止圍巖變形）。在距離5號煤層頂板40 m以外的地方，布置工作面最為安全，且工作面長度不宜大于120m。

5 結束語

1）根據理論計算，5號煤回采頂板冒落帶高度10.71 m左右，裂隙帶高度39.19m。6號煤層處于裂隙內，采取相應安全措施后方可開采。

2）通過數值模擬結果，5號煤和6號煤進行上行開采的安全間隔距離應大于或等于40m。5號煤和6號煤之間上行開采的可行距離應大于或等于10m。

3）崔家寨礦采用近距離煤層上行開采技術切實可行。

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

[2]韓軍.開灤礦區近距離煤層群上行開采可行性研究[J].煤炭科學技術,2011,39(10):14-17.

[3]錢鳴高,石平五,許家林.礦山壓力與巖層控制[M].北京:中國礦業大學,2010.