南山煤礦近距離煤層群上行開采可行性研究

尤 亞

(山西華潤聯盛能源投資有限公司，山西省呂梁市，033000)

一般情況下，大多數礦井采用下行開采方式開采煤層群；而在特定的地質和開采技術條件下，正常順序開采產量的增加和建設速度受到了限制，采用上行開采方式有利于保證礦井穩產高產、短期內提高礦井經濟效益，具有顯著的經濟和社會效益。由于下煤層開采后，原巖應力狀態被打破，在采動影響的作用下，上煤層將發生不同程度變形與破壞，影響上行開采的安全進行，給生產帶來一定困難。因此，研究近距離煤層群上行開采覆巖變形特征、分析下煤層開采活動對上煤層的影響作用，對上行開采可行性判定具有理論指導意義。

本文以南山煤礦近距離煤層群地質開采條件為工程背景，采用理論分析和數值模擬手段，分析上行開采過程中采場覆巖和上部煤層變形破壞特征，并以此分析南山煤礦上行開采的可行性，研究結果將為類似礦井提供依據和借鑒。

1 地質與開采技術條件

南山煤礦位于河東煤田中段，井田面積18.16 km2，生產規模為1.2 Mt/a。井田大致為一寬緩向斜構造，井田內可采煤層4層，自上而下依次為3#、5#、6#、10#煤層，煤層傾角5°～7°，各可采煤層及其頂底板條件見表1。

鑒于3#、5#、6#煤層厚度小，10#煤層厚度大的特點，現場提出先期開采6#和10#煤層、后期開采3#和5#煤層的上行開采順序。由于各可采煤層厚度變化范圍較大，需進一步明確研究范圍內各煤層賦存特征。結合礦井整合前后各煤層開采情況及儲量分布特征，確定了重點開采范圍，并以煤層厚度與煤層間距厚度為指標，進行開采范圍區域劃分，如圖1所示。各開采區域內可采煤層賦存特征見表2。

圖1 南山煤礦重點開采范圍區域劃分

表1 井田范圍內可采煤層特征

表2 各開采區域內可采煤層賦存特征

開采范圍內擬采用綜合機械化一次采全高采煤方法，全部垮落法管理頂板。

2 3#、5#煤層上行開采可行性分析

根據南山煤礦3#、5#、6#和10#煤層之間的賦存特征，采用比值判別法和“三帶”判別法進行上行開采可行性評估，分析6#、10#煤層聯合開采后對3#、5#煤層的影響。

2.1 比值判別法

比值判別法認為，上行開采是否可行主要取決于上下兩層煤之間的層間距與下部所采煤層的厚度之比，即采動影響倍數K。我國煤礦上行開采的實踐結果證明，在下部開采多個煤層的情況下：當上、下煤層之間為堅硬巖層時，K≥6.3；為中硬巖層時，K=6.0；為軟弱巖層時，K≥5.5。

由于不同區域內可采煤層厚度、煤層間距厚度均不相同，借助sufer軟件，可得到整個井田內采動影響倍數K分布圖，如圖2所示。

由圖2可以看出，在開采區域Ⅰ范圍內，6#、10#煤層對3#煤層采動影響倍數K為12.4～14.2，6#、10#煤層對5#煤層采動影響倍數K為7.6～9.4；在開采區域Ⅱ范圍內，6#、10#煤層對3#煤層采動影響倍數K為12.6～16.2，6#、10#煤層對5#煤層采動影響倍數K為8.0～10.2。

圖2 南山煤礦下煤層采動影響倍數分布圖

由此判定，6#、10#煤層開采活動對3#、5#煤層影響程度較小，3#、5#煤層均可進行上行開采。

2.2 “三帶”判別法

“三帶”判別法認為，當上煤層位于下煤層垮落帶范圍之內時，上煤層結構破壞嚴重，不可進行上行開采；當上煤層位于下煤層垮落帶之上、裂隙帶之下時，上煤層結構為發生較大破壞，采取一定技術措施后可進行上行開采；當上煤層位于下煤層裂隙帶范圍之上時，上煤層基本未發生破壞，可直接進行上行開采。由于南山煤礦各煤層間巖層強度低，6#、10#煤層開采形成的垮落帶、裂隙帶高度采用如下公式計算：

或者

(3)

式中：Hk——垮落帶高度，m；

Hd——裂隙帶高度，m；

∑M——累計采厚，其中單層采厚1～3m，累計采厚不超過15m。

代入相關參數，計算可得：在開采區域Ⅰ范圍內，6#煤層頂板垮落帶高度Hk=0.89～4.12m，裂隙帶高度Hd=7.55～16.53m，10#煤層頂板垮落帶高度Hk=6.82～9.89m，裂隙帶高度Hd=20.94～29.04m；在開采區域Ⅱ范圍內，6#煤層頂板垮落帶高度Hk=0.89～4.12m，裂隙帶高度Hd=7.55～16.53m；10#煤層頂板垮落帶高度Hk=6.59～9.82m，裂隙帶高度Hd=20.62～28.94m。

將垮落帶高度和裂隙帶高度計算結果與煤層間距作對比可知，在各開采區域內，3#煤層和5#煤層均處于下煤層頂板裂隙帶之上，受下煤層開采活動的影響程度較小。

3 6#、10#煤層采動影響數值模擬

根據現場條件，采用數值模擬手段分析下煤層6#、10#煤層聯合開采后覆巖變形及對3#、5#煤層的影響。

3.1 模型建立

模擬采用UDEC數值軟件，根據圖1和表2中的重點開采范圍分區情況，基于M-C準則，建立兩個模型進行分析，各模型的相關數見表3。

各模型兩側各留100m作保護煤柱，實際開采尺寸為400m；在3#煤層與5#煤層各設置了1條監測線，每隔10m布置1個測點，每個模型中各布置120個測點；考慮到模型尺寸，模擬6#煤層、10#煤層聯合開采，其中6#煤層工作面超前10#煤層工作面50m。綜合考慮地表起伏狀況，模型的整體情況如圖3所示。

表3 數值計算模型參數 /m

圖3 南山煤礦上行開采數值模型圖

3.2 模擬結果分析

3.2.1 下煤層開采后覆巖垮落與圍巖變形

下煤層6#、10#煤層開挖后，覆巖垮落與裂隙分布情況如圖4所示。

圖4 南山煤礦下煤層開采后覆巖垮落與裂隙分布

由圖4可知，在開采區域Ⅰ范圍內，6#煤層頂板巖層垮落高度為5.11m，裂隙發育高度為11.81m，10#煤層頂板巖層垮落高度為12.34m，裂隙發育高度為27.26m；在開采區域Ⅱ范圍內，6#煤層頂板巖層垮落高度為5.42m，裂隙發育高度為12.33m，10#煤層頂板巖層垮落高度為11.82m，裂隙發育高度為26.48m；3#、5#煤層均位于下煤層6#、10#煤層聯合開采形成的裂隙帶范圍之上。

兩模型中6#煤層、10#煤層垮落帶、裂隙帶范圍與頂板巖層關系位置如圖5所示。

圖5 6#、10#煤層頂板垮落帶、裂隙帶位置圖

由圖5可知，在開采區域內，6#煤層頂板巖層垮落帶分布于L5石灰巖下部，裂隙帶發育至K3粗砂巖中下部停止；10#煤層頂板巖層垮落帶分布于L1石灰巖下部，裂隙帶發育至K2石灰巖中下部停止。結合圖4的模擬結果可知，隨著開采活動的進行，L1石灰巖、K2石灰巖、L5石灰巖、K3粗砂巖的破斷程度小，這4層承載了上覆巖層的大部分壓力，上覆巖層未發生大面積垮落，整體以彎曲變形為主；L1石灰巖、L5石灰巖控制了頂板垮落帶的范圍，K2石灰巖、K3粗砂巖則抑制了覆巖裂隙發育，對3#、5#煤層實現上行開采起到了關鍵控制作用。

3.2.2下煤層開采后3#、5#煤層位移與結構變形

統計兩模型6#、10#煤層開挖后，3#、5#煤層垂直位移與傾斜值，如圖6所示。

圖6 下煤層采后3#、5#煤層的變形特征

由圖6可知，6#、10#煤層聯合開采后，模型Ⅰ、模型Ⅱ中3#煤層最大下沉值分別為1.51m、1.42m，5#煤層最大下沉值分別為1.88m、1.69m，兩煤層下沉峰值主要集中模型中部；3#煤層在下煤層切眼處和停采線處區域內的傾斜值波動大，模型Ⅰ、模型Ⅱ中最大傾斜值分別為27.32mm/m、26.42mm/m； 5#煤層傾斜值波動程度大的范圍也集中在下煤層切眼處和停采線處，模型Ⅰ、模型Ⅱ中最大傾斜值分別為37.84mm/m、35.16mm/m。

考慮到下煤層切眼處和停采線處3#、5#煤層下沉位移變化較大，移動變形嚴重，應進一步考慮煤層結構上的連續性。

煤層的切眼處和停采線處3#煤層與5#煤層的結構形態模擬結果示意圖如圖7所示。

由圖7可知，在下煤層切眼處，兩模型中3#煤層結構出現小幅度彎曲，5#煤層結構未出現斷裂、臺階下沉等現象，結構連續性好；在下煤層停采線處，兩模型中3#、5#煤層結構形態與切眼處，3#煤層結構小幅度彎曲，5#煤層結構彎曲明顯，也均未出現結構斷裂、臺階下沉等現象，結構上也均保持較好連續性。

圖7 下煤層采后3#、5#煤層結構形態

綜上分析，南山煤礦下煤層6#、10#煤層聯合開采后，采用上行開采方式開采3#、5#煤層具有可行性，但需采用相關安全技術措施，以保證礦井安全高效生產。

4 結論

本文以南山煤礦地質條件為研究背景，采用理論分析和數值模擬手段，對該礦井近距離煤層群上行開采可行性進行了研究，得到以下結論：

(1)比值判別法和“三帶”判別法計算認為：6#、10#煤層聯合開采對3#、5#煤層的采動影響倍數分別為12.4～16.2、7.6～10.2，3#、5#煤層均位于6#、10#煤層采動裂隙帶之上，可直接進行上行開采。

(2)數值模擬結果表明，6#、10#煤層頂板中的L1石灰巖、K2石灰巖、L5石灰巖、K3粗砂巖有效控制了兩煤層采動影響，抑制了裂隙發育，6#煤層頂板中裂隙發育高度約為12.34m，未波及3#、5#煤層；下煤層開采結束后，3#、5#煤層結構連續性好，未出現斷裂、臺階下沉等現象，兩煤層最大下沉值分別為1.42～1.51m、1.69～1.88m，最大傾斜值分別為26.42～27.32mm/m、35.16～37.84mm/m。

(3)綜合理論分析和數值計算結果，南山煤礦下煤層6#、10#煤層聯合開采后，3#、5#煤層均可直接進行上行開采。