殘采區上行開采理論研究

賀建紅（高平科興集團 前和煤業有限公司，山西 高平048400）

殘采區上行開采理論研究

賀建紅
（高平科興集團 前和煤業有限公司，山西 高平048400）

目前煤層群開采理論的研究成果基本上都是建立在采用下行式開采順序的基礎上得到的，而對于蹬空條件下的開采理論研究比較缺乏。針對殘采區的上行開采的影響因素、應用條件以及基本原則進行了分析研究，為殘采區上行開采提供了理論指導。

上行開采；殘采區；礦壓顯現；影響因素

1　概述

目前對于煤層群開采，不管是采用單一布置的形式還是采用聯合布置的形式，大部分都是采用自上而下的下行式開采順序進行開采的，在實際開采中采用上行式開采順序的情況不多。目前煤層群開采理論的研究成果基本上都是建立在采用下行式開采順序的基礎上得到的，而對于蹬空條件下的開采理論研究還比較缺乏[1-2]。在對煤層間、厚煤層分層間以及煤組間的開采時，先對采高標高低的煤層、厚煤層分層或者煤組進行開采，后對采高標高高的煤層、厚煤層分層或者煤組進行開采的開采順序，稱作上行式開采順序；采用與之相反的開采順序，則稱作下行式開采順序。將上行式開采順序運用到某些地質條件和開采條件比較特殊的礦井中能夠達到更為良好的經濟技術效果[3-5]。

圖1所示為煤層間上行式開采、厚煤層分層間上行式開采和煤組間上行式開采。

圖1　煤層間、厚煤層分層間以及煤組間上行式開采順序

2　上行開采的影響因素

層間距、開采高度、開采方法、巖性及層間結構、煤層傾角等五個主要因素對上行開采具有重要影響。

2.1層間距

上行開采理論研究以及現場工程實踐經驗表明，具有足夠大的層間距是進行上行開采的基本條件。上部煤層與下部煤層之間的層間距越大，上覆巖層的運移特征將會越平緩，對于進行上行開采就越為有利；與之相反，上部煤層與下部煤層之間的層間距越小，上覆巖層的運移特征將會越劇烈，有時甚至會發生臺階下沉。因此，下部煤層采場上覆巖層的冒落變形與臺階下沉是影響上部煤層進行上行開采的最大因素。目前上行開采研究成果與諸多國內外煤礦上行開采的工程實踐經驗表明，在上部煤層與下部煤層之間的層間距大于20 m的條件下，上部煤層進行開采時發生臺階錯動的機率將會非常小。

2.2開采高度

工作面開采高度是影響上覆巖層變形破壞以及斷裂高度的根本因素。下部煤層工作面回采所形成的采出空間隨著工作面開采高度的增大而增大，采場上覆巖層動態平衡結構遭到破壞的機率就越大，導致采場上覆巖層發生變形破壞的程度越大，因此上部煤層進行上行開采的難度也會越大。

2.3開采方法

開采方法是影響采場上覆巖層破壞高度的重要因素。工作面采用分層開采時，已經發生破壞的上覆巖層的力學性質由于受到重復采動的影響而會進一步發生軟化，此時上覆巖層將會發生整體彎曲對采空區進行充填，這種開采方法可以降低上覆巖層冒落帶高度及裂隙帶高度。

頂板管理方式對采場上覆巖層破壞高度及其所形成的空間形態有著直接影響。一般地，采場上覆巖層采用全部垮落法管理頂板都能夠形成“三帶”；而在采用充填法管理頂板的條件下只是引起上覆巖層的開裂性破壞，因此采用充填法管理頂板時的頂板下沉量要比采用全部垮落法管理頂板時的頂板下沉量要小。

2.4巖性及層間結構

巖石力學性質及其層間結構對上覆巖層的破壞高度有著重要的影響。當頂板巖石的強度比較高時，冒落帶和裂隙帶的發育比較高，此時相應地頂板下沉量就會比較小，采空區高度比較大，頂板巖石冒落過程發展比較充分，并且主要以斷裂塊體的形式對采空區進行充填；與之相反，當頂板巖石強度比較低時，冒落帶和裂隙帶的發育比較低，此時相應地頂板下沉量就會比較大，采空區高度比較小，頂板巖石冒落過程發展不充分，主要以巖層彎曲的形式對采空區進行充填。因此，當頂板中有節理裂隙比較發育的石灰巖或者巖性比較堅硬的砂巖賦存時，在頂板巖層冒落的過程中這些巖層下沉比較緩慢，能夠使上覆巖層下沉比較均勻，對上行開采十分有利。

2.5煤層傾角

煤層傾角是影響采場上覆巖層變形破壞所形成空間形態的主要因素。

1）緩傾斜煤層。在緩傾斜煤層的條件下，采場上覆巖層會在發生冒落之后就地堆積，由于煤柱對于采空區邊界的支撐作用，故冒落帶與裂隙帶的發育高度在采空區中部最大。

2）傾斜煤層。在傾斜煤層的條件下，采場上覆巖層在發生冒落之后將會隨著煤層底板向下滾動。由于傾斜煤層下方的頂板巖層被上方煤層的頂板矸石所充填，因此傾斜煤層下方的頂板巖層冒落過程將不會很充分，與之相反，傾斜煤層上方的頂板巖層冒落過程因為失去冒落矸石的支承而更加充分。由此可以得出，傾斜煤層條件下所形成的冒落帶和裂隙帶的分布是不對稱的，并且具有傾斜煤層上方的冒落帶和裂隙帶的高度高,而傾斜煤層上方的冒落帶和裂隙帶的高度低這一顯著的特點。

3）急傾斜煤層。在急傾斜煤層的條件下，由于采空區冒落矸石下滑，其上覆巖層的冒落過程將會更加充分，此時冒落帶與裂隙帶將會向其上部邊界發展。與此同時，煤層底板巖層也會發生滑脫并對采空區進行充填。

3　上行開采的應用條件

通常采用下行式開采順序對煤層群進行開采，但是在某些特殊條件下也會采用上行式開采順序對煤層群進行開采。根據上行開采理論以及諸多礦井生產實踐經驗得出，進行上行開采需要具備以下幾個方面的應用條件：

1）在上部煤層的頂板與煤質都比較堅硬的“兩硬”條件下，上部煤層不易采出，將上行開采應用到此條件下能夠有效地削弱在對上部煤層進行開采過程中所帶來的沖擊地壓和周期來壓，此外在一定程度上也能夠削弱地質構造應力對采煤工作面回采所造成的影響。

2）在上部煤層的水文地質條件比較復雜而難以布置采煤工作面的條件下，先對下部煤層進行開采能夠對疏導上部煤層的水源。

3）在上部煤層為煤與瓦斯突出煤層的條件下，可以把下部煤層看作是保護層而先在下部煤層中布置采煤工作面進行開采，能夠有效地降低在上部煤層開采過程中可能出現的煤與瓦斯突出危險。

4）在上部煤層為煤質比較差、厚度比較薄以及賦存不穩定的煤層時，對其進行開采將變得十分困難，在很長一段時期內礦井將不能夠達不到設計生產能力，此時可以先對下部煤層進行開采，或者對上、下煤層進行搭配開采，通過上述開采方法礦井將能夠較快地達到設計生產能力。

5）在對建筑物下、水體下以及鐵路下的煤炭資源進行開采時，即進行三下開采時，有些情況必須先對下部煤層進行開采，之后再對上部煤層進行開采，通過采用上行開采的方法能夠有效地減輕三下壓煤開采對地表建筑物、水體以及鐵路的影響。

6）在對開采火區或者積水區下的煤炭資源進行開采時，有些情況也必須采用上行開采的方法。

7）從經濟技術指標的觀點出發，在上部煤層開采比較困難、投資比較大并且下部煤層的煤質比較好的條件下，有時為了達到迅速提高礦井經濟效益也會采用上行開采的方法。

8）在某些特殊的地質條件下，有些新建礦井為了達到減少礦井建設初期的掘進工程量和投資、縮短建井工期、迅速提高礦井經濟效益將會采用下行開采與上行開采相結合的開采方式。

9）采用上行開采的方法對采空區上方的遺留的煤炭資源重新進行開采。

4　上行開采的基本原則

1）在有巖性比較堅硬的巖層賦存于采場上覆巖層中的條件下，上部煤層必須處在與下部煤層距離最短的平衡巖層結構的層位上方。

2）在有巖性比較軟弱的巖層賦存于采場上覆巖層中的條件下，上部煤層必須處在下部煤層采場上覆巖層的裂隙帶之內。

3）應當在下部煤層采場上覆巖層因開采發生運移而后恢復到穩定之后再對上部煤層進行上行開采。

4）采用上行開采順序時還必須滿足上下煤層具有足夠大的層間距。

5　上行開采的技術措施

1）在上、下煤層的層間距比較小的條件下，必須在設計時布置足夠大的下部煤層長壁采煤工作面，從而使上部煤層采場上覆巖層能盡最大面積地發生均勻沉降，。

2）必須將下部煤層開采完并且盡可能地不遺留任何殘余煤柱，因此最好采用無煤柱護巷對下部煤層進行開采。

3）上部煤層受到下部煤層采動影響要經歷拉伸、傾斜、壓縮變形并最終趨于穩定這一過程，因此要縮短上部煤層采場上覆巖層發生變形過程并降低其變形程度，則必須適當地加快上部煤層回采工作面的推進速度。

4）在下部煤層采場上覆巖層因開采發生運移，恢復到穩定之后再開掘上部煤層中的巷道。

[1]申寶宏.我國煤炭開采技術發展現狀及展望.[C]//中國煤炭工業可持續發展的新型工業化之路論文集.北京：煤炭工業出版社，2004.

[2]韓可琦，王玉浚.中國能源消費的發展趨勢與前景展望[J].中國礦業大學學報，2004，33（1）:1-5.

[3]朱銀昌，陳慶祿，張鐵崗.復雜難采煤層的開采[M].北京：世界圖書出版社，1998.

[4]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.

[5]杜計平，汪理全.煤礦特殊開采方法[M].徐州：中國礦業大學出版社，2003.

（編輯：樊敏）

Ascending Mining Theory in Residual Section

HE Jianhong
（Qianhe Coal Co.,Ltd.,Gaoping Kexing Group，Gaoping 048400，China）

The theory of coal seam group mining is basically built on sequence descending mining, lacking of mining studies under the condition of floor failure.The paper analyzes the influential factors, application conditions,and principles of ascending mining,which could be a theoretical guidance for the ascending mining in residual sections.

ascending mining;residual section;strata behavior;influence factors

TD823

A

1672-5050（2016）02-0026-03

10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2016.02.008

2015-11-30

賀建紅（1970-），男，山西高平人，大學本科，工程師，從事煤礦技術管理工作。