近距離煤層群上行開(kāi)采可行性探討

劉維信 張假妮 孟慶新 陸 超 劉中洋 牛龍喧

(山東東山王樓煤礦有限公司)

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近距離煤層群上行開(kāi)采可行性探討

劉維信 張假妮 孟慶新 陸 超 劉中洋 牛龍喧

(山東東山王樓煤礦有限公司)

為遵循“一礦一面”的現(xiàn)代化礦井建設(shè)原則，根據(jù)某煤礦煤層群實(shí)際情況，對(duì)礦井煤層群合理的開(kāi)采順序進(jìn)行分析，該煤礦煤層群?jiǎn)我坏南滦虚_(kāi)采方式有其局限性，3-1煤將采用上行方式開(kāi)采，通過(guò)UDEC2D數(shù)值模擬及理論分析，證明了煤層群上行開(kāi)采的可行性。

近距離 煤層群 上行開(kāi)采 可行性 數(shù)值模擬 比值判別法

隨著開(kāi)采條件的變化，煤炭越來(lái)越多地轉(zhuǎn)向煤層群開(kāi)采。煤層群開(kāi)采，無(wú)論是單一布置還是聯(lián)合布置，多年來(lái)遵循的原則是由上往下的開(kāi)采程序[1]。但在某些復(fù)雜地質(zhì)條件下，煤層群開(kāi)采實(shí)行單一的下行開(kāi)采有其局限性，因此，研究確定多煤層進(jìn)行上下煤層合理有序的開(kāi)采，對(duì)減少資源浪費(fèi)、延長(zhǎng)礦井壽命及礦井安全運(yùn)行，具有重要意義[2]。

1 礦井煤層群基本情況

某煤礦首采區(qū)煤層地質(zhì)構(gòu)造比較簡(jiǎn)單，煤層平均傾角24°。可采煤層自上而下為1煤、3-1煤、3-2煤。1煤平均厚度1.03 m，不含夾矸，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，頂?shù)装鍘r性較為穩(wěn)定，大部分為粉砂巖，局部為泥巖；3-1煤平均厚度2.39 m，含有夾矸，夾矸厚度0.09～0.15 m，夾矸巖性為泥巖，煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，頂?shù)装鍘r性較為穩(wěn)定，大部分為粉砂巖，局部為少量的中砂巖；3-2煤平均厚度1 m，含有夾矸，夾矸厚度0.14～0.46 m，巖性為泥巖，煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，頂?shù)装鍘r性較為穩(wěn)定，大部分為粉砂巖，局部為少量的中砂巖。1煤與3-1煤的層間距為22.61～41.17 m，平均為32.09 m；3-1煤與3-2煤的層間距為0.81～2.36 m，平均為1.55 m。

2 煤層合理開(kāi)采順序的分析

合理的開(kāi)采順序首先應(yīng)該在保證安全的前提下使礦井所有煤炭資源都能夠回收干凈；其次在今后的生產(chǎn)過(guò)程中采掘接替關(guān)系容易處理，整個(gè)礦井的服務(wù)期限內(nèi)礦井的生產(chǎn)系統(tǒng)暢通、穩(wěn)定，運(yùn)行可靠；還要考慮盡快達(dá)產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)和高效開(kāi)采。

某煤礦首采區(qū)可采煤層自上而下有1煤、3-1煤、3-2煤，其中1煤為薄煤層，3-1煤、3-2煤為中厚煤層，各煤層煤厚及煤層生產(chǎn)能力見(jiàn)表1。

表1 各煤層生產(chǎn)能力

該礦井年生產(chǎn)能力為1.50 Mt/a，從表1可以看出，僅3-1煤工作面即可達(dá)到礦井年設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力，3-2煤工作面與1煤工作面配采也符合礦井年生產(chǎn)能力。從一礦一面的現(xiàn)代化礦井的建設(shè)原則、煤層生產(chǎn)能力及煤層間距方面考慮，計(jì)劃先開(kāi)采3-1煤，待頂?shù)装甯矌r重新達(dá)到平衡狀態(tài)后，再將3-2煤與1煤配采，這種開(kāi)采順序有利于礦井達(dá)產(chǎn)及煤層頂板水、瓦斯排放。

一般來(lái)說(shuō)，采煤工作面對(duì)上覆巖層的采動(dòng)影響比對(duì)其下煤層的采動(dòng)影響更大，因此，一般選擇下行開(kāi)采更有利于采掘接替，但是3-1煤、3-2煤與1煤的層間距較大，煤層上行開(kāi)采對(duì)1煤層的連續(xù)性沒(méi)有太大的影響，為實(shí)現(xiàn)安全高效開(kāi)采，需對(duì)3-1煤上行開(kāi)采的可行性進(jìn)行理論分析及數(shù)值模擬。

3 理論分析

兩個(gè)煤層開(kāi)采的比值判別法(圖1)[3]

(1)

式中,K為上下煤層層間距與下位煤層采厚的比值；H為上下煤層層間距，m；M2為下位煤層采厚，m。

蔣金泉教授綜合物理模擬、井下探測(cè)研究所揭示出的覆巖裂隙發(fā)育亞分帶規(guī)律及覆巖結(jié)構(gòu)平衡分帶規(guī)律，按層間距與下位煤層采高的比值H/M2,對(duì)

圖1 兩個(gè)煤層上行開(kāi)采的比值判別法

上行開(kāi)采的區(qū)間進(jìn)行了重新劃分，由此對(duì)上行開(kāi)采的可行程度做出判別和預(yù)測(cè),并對(duì)礦區(qū)上行開(kāi)采的區(qū)域劃分，為采掘部署及開(kāi)采設(shè)計(jì)提供決策依據(jù)。

(1)不可開(kāi)采區(qū)間(H/M<4.3)。近距離上位煤層底板不能形成準(zhǔn)平衡帶的承載層，或上位煤層頂?shù)装暹M(jìn)入強(qiáng)裂隙亞帶，該區(qū)間內(nèi)無(wú)法實(shí)行上行開(kāi)采。

(2)準(zhǔn)上行開(kāi)采區(qū)間(H/M=4.3～9.5)，處于準(zhǔn)平衡帶負(fù)載層及平衡帶內(nèi)或中裂隙亞帶內(nèi)，該區(qū)間內(nèi)采取一定措施后可進(jìn)行上行開(kāi)采。

(3)正常上行開(kāi)采區(qū)間(H/M>9.5)，處于弱裂隙亞帶或平衡帶以上部位，該區(qū)間結(jié)構(gòu)不受破壞，可正常進(jìn)行上行開(kāi)采。

根據(jù)該煤礦1煤與3-1煤的層間距為22.61～41.17 m，按3-1煤平均厚度2.39 m作為采厚，1煤與3-1煤的最小層間距22.61 m計(jì)算，下煤層層間距與下位煤層采厚的比值為K=H/M1=9.46。

故按照比值分析法的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，覆巖裂隙發(fā)育亞分帶規(guī)律及覆巖結(jié)構(gòu)平衡分帶規(guī)律，1煤位于3-1煤覆巖平衡帶以上及弱裂隙亞帶及其上部，采取一定技術(shù)措施，可進(jìn)行上行開(kāi)采。

4 數(shù)值模擬分析

采用UDEC4.0離散元軟件進(jìn)行計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬，計(jì)算模擬內(nèi)容主要包括下煤層開(kāi)采對(duì)上煤層及其頂?shù)装宓牟蓜?dòng)影響效果。在本次工程數(shù)值建模中，對(duì)3-1煤工作面正常推采過(guò)程進(jìn)行簡(jiǎn)化分析，在采空區(qū)邊緣留設(shè)距模型邊界較大尺寸，即對(duì)于模型給定較大的邊界范圍，最大程度減少3-1煤工作面開(kāi)挖對(duì)整個(gè)模型所造成的應(yīng)力擾動(dòng)影響。本次計(jì)算模型的設(shè)計(jì)幾何尺寸為(長(zhǎng)×高)200 m×158.117 3 m。

4.1 煤層上行開(kāi)采的塑性區(qū)分布

上行開(kāi)采時(shí)，1煤位于3-1煤之上，需要分析3-1煤開(kāi)采期間塑性區(qū)分布情況，明確其對(duì)1煤開(kāi)采的影響。下煤層開(kāi)采后其覆巖破壞區(qū)分布如圖2所示。

分析圖2可知，3-1煤開(kāi)采后，3-1煤采空區(qū)附近上覆巖層發(fā)生塑性破壞，隨高度的增加塑性破壞程度逐漸減輕，到1煤位置塑性破壞程度已經(jīng)很輕，煤巖層的強(qiáng)度特性基本沒(méi)有受到影響，兩側(cè)煤柱上部的上覆巖層局部區(qū)域發(fā)生了塑性破壞，隨高度的增加破壞程度減小，1煤及頂板也受到了一些影響，但塑性范圍很小，影響不大，開(kāi)采條件基本沒(méi)有受到影響。

圖2 3-1煤上覆巖層與1煤破壞情況

4.2 煤層上行開(kāi)采的覆巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律

分析3-1煤開(kāi)采期間覆巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其對(duì)1煤的影響，運(yùn)算結(jié)果如圖3所示。

圖3 3-1煤采動(dòng)對(duì)各巖層垂直方向位移云圖

由圖3看出，3-1煤采動(dòng)后，其上覆巖層垂直位移0～2 m，1煤處于整體下移的彎曲下沉帶。采空區(qū)中部下沉量最大，達(dá)到2 m左右，但為均勻下沉，上覆巖層和1煤均保持了較好的連續(xù)性。兩側(cè)受煤柱影響，下沉量向各自的煤柱方向逐漸減小，煤柱上方的頂板彎曲變形較大，可能出現(xiàn)拉斷、拉裂等狀況。1煤在3-1煤柱上方的下沉斜率可以判斷3-1煤柱對(duì)1煤的影響大小，3-1煤采空區(qū)下側(cè)煤柱上方1煤的最大下沉斜率為0.32%；采空區(qū)上側(cè)煤柱上方1煤的最大下沉斜率為6.35%。按照此斜率變化規(guī)律，煤層基本能夠保持其連續(xù)性，從這一角度來(lái)看，1煤的開(kāi)采條件受到的影響不大。

5 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)煤層及周圍巖層地質(zhì)賦存條件分析，采用UDEC4.0離散元軟件進(jìn)行模擬分析，并采用比值判別法對(duì)煤層上行開(kāi)采可行性進(jìn)行理論分析，得到的結(jié)論如下：

(1)3-1煤開(kāi)采后，3-1煤采空區(qū)附近上覆巖層發(fā)生了較嚴(yán)重的塑性破壞，但到1煤位置塑性破壞程度已經(jīng)很小，煤巖層的強(qiáng)度特征基本沒(méi)有受到影響，遺留煤柱上部的煤巖層塑性破壞和拉伸破壞較大，1煤層及其頂板也受到了一些影響，但塑性范圍很小。

(2)3-1煤采動(dòng)后，其上覆巖層垂直位移0～2 m，1煤處于整體下移的彎曲下沉帶。采空區(qū)中部下沉量最大，達(dá)到2 m左右，但為均勻下沉，上覆巖層和1煤均保持了較好的連續(xù)性，1煤的開(kāi)采條件受到的影響不大。

(3)3-1煤的開(kāi)采對(duì)1煤有一定采動(dòng)作用，1煤處于3-1煤覆巖平衡帶以上及弱裂隙亞帶及其上部，采取一定的技術(shù)安全措施，可進(jìn)行上行開(kāi)采。

[1] 雷明輝，宋振騏.緩傾斜煤層群上行開(kāi)采的研究[J].山東礦業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，1992，11(3)：213-219.

[2] 梁 冰，單龍輝，李 剛，等.大安山礦傾斜近距離煤層群上行開(kāi)采可行性研究[J].科技導(dǎo)報(bào)，2012，30(33)：45-49.

[3] 徐永圻.采礦學(xué)[M].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2003.

2016-06-28)

劉維信(1977—)，男，副總工程師，272063 山東省濟(jì)寧市任城區(qū)喻屯鎮(zhèn)。