深部近距離厚煤層上行開(kāi)采可行性研究

李崗偉，王一帆，李峰輝

(1.安徽理工大學(xué) 深部煤礦采動(dòng)響應(yīng)與災(zāi)害防控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 淮南 232001；2.安徽理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，安徽 淮南 232001；3.山東科技大學(xué) 煤礦充填開(kāi)采國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，山東 泰安 271000)

近年來(lái)，隨著我國(guó)煤炭資源逐漸由淺部轉(zhuǎn)入深部開(kāi)采，且儲(chǔ)量賦存多以近距離煤層為主，常規(guī)下行開(kāi)采方式很難解決深部特殊條件下的開(kāi)采問(wèn)題，而上行開(kāi)采作為一種非正常的反程序開(kāi)采方法對(duì)解決某些特殊問(wèn)題具有一定的技術(shù)優(yōu)勢(shì)[1，2]。

上行開(kāi)采方法在國(guó)內(nèi)運(yùn)用比較成熟，眾多學(xué)者進(jìn)行大量研究，蔣金泉等[3]構(gòu)建了關(guān)于上行卸壓開(kāi)采技術(shù)可行性影響程度的評(píng)價(jià)方法；馮國(guó)瑞、任亞峰等[4-6]利用矢量分析法判定上行開(kāi)采的煤層間巖層控制的關(guān)鍵位置；張宏偉等[7]對(duì)煤層間距為8～16.7m條件下上行開(kāi)采進(jìn)行理論、數(shù)值模擬、相似模擬以及現(xiàn)場(chǎng)探查分析；吳寶楊[8]等對(duì)上行開(kāi)采危險(xiǎn)源進(jìn)行分析，采取措施后實(shí)現(xiàn)了工作面的安全回采；王寅[9]等研究了上行開(kāi)采形成的懸空結(jié)構(gòu)；李壽君等[10]分析了軟巖條件下近距離厚煤層反程序開(kāi)采可行性；盧鑫等[11]通過(guò)理論分析和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)得出下部煤層開(kāi)采后影響上部煤層的區(qū)域；黃萬(wàn)朋等[12]對(duì)下部煤層開(kāi)采后上覆巖層裂隙發(fā)育情況進(jìn)行研究，認(rèn)為裂隙帶形態(tài)及范圍對(duì)上部煤層開(kāi)采有重大影響。

針對(duì)深部近距離厚煤層上行開(kāi)采研究成果較少，本文利用上行開(kāi)采方法對(duì)陶忽圖煤礦近距離厚煤層開(kāi)采條件進(jìn)行分析，對(duì)上行開(kāi)采的有效性進(jìn)行判定，并加以相似模擬及理論分析，從而確定下部3-1煤層開(kāi)采后上部2-2煤層的可采性，為類(lèi)似條件下近距離厚煤層開(kāi)采提供借鑒與參考。

1 工程背景

陶忽圖煤礦位于東勝煤田南部，地層傾角小于3°，為近水平地層，目前井田未開(kāi)展建設(shè)，屬新建礦井。井田內(nèi)2-2煤層埋藏深度613.93～767.68m，平均679.63m。煤層厚度2.50～4.17m，平均3.60m。3-1煤層埋藏深度671.93～826.92m，平均741.04m。煤層厚度5.00～7.12m，平均6.33m。2-2煤層與3-1煤層層間距為51.15～68.65m，煤巖綜合柱狀圖如圖1所示。

圖1 綜合柱狀

經(jīng)鑒定，2-2煤層具有弱沖擊傾向性，頂板彎曲能量指數(shù)為113.75kJ，且2-2煤層頂板為堅(jiān)硬頂板(中粒砂巖)，因此，設(shè)計(jì)3-1煤層作為保護(hù)層先行開(kāi)采。

2 上行開(kāi)采有效性判定

2.1 上行開(kāi)采有效保護(hù)范圍

3-1和2-2煤層傾角小于3°，屬近水平煤層，保護(hù)范圍與卸壓角有關(guān)，因無(wú)實(shí)測(cè)卸壓角，可依據(jù)煤層傾角大小進(jìn)行取值，具體取值結(jié)果見(jiàn)表1[18]。3-1煤層開(kāi)采后對(duì)應(yīng)的保護(hù)范圍為2-2煤層內(nèi)錯(cuò)3-1煤層采空區(qū)9.08m，如圖2所示。

表1 保護(hù)層卸壓角

圖2 保護(hù)層有效保護(hù)范圍

2.2 下保護(hù)層最大保護(hù)垂距

下保護(hù)層的最大保護(hù)垂距是開(kāi)采保護(hù)層后，在保護(hù)范圍內(nèi)上部煤層在法線(xiàn)方向上與下保護(hù)層的最大距離。3-1煤層未進(jìn)行開(kāi)采，無(wú)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，可按公式(1)進(jìn)行計(jì)算[13-18]。

S=S0β1β2(1)

式中，S為最大保護(hù)垂距，m；S0為下保護(hù)層的理論最大保護(hù)垂距，m，可根據(jù)表2取值；β1為保護(hù)層開(kāi)采的影響系數(shù)；β2為層間硬巖(砂巖、石灰?guī)r)含量系數(shù)；β1、β2確定方法見(jiàn)文獻(xiàn)[18]。

3-1煤層平均埋深741.04m，工作面長(zhǎng)度按200m計(jì)算，S0根據(jù)表2取值為127m，β1、β2根據(jù)文獻(xiàn)13均取1，計(jì)算得到下保護(hù)層的理論最大保護(hù)垂距S=127m，大于兩煤層間最大層間距，因此，開(kāi)采3-1煤層可以對(duì)上部煤層起到保護(hù)作用。

表2 下保護(hù)層理論最大保護(hù)垂距

2.3 開(kāi)采下保護(hù)層的最小層間距

當(dāng)煤層傾角α<60°時(shí)，可根據(jù)公式(2)計(jì)算下部煤層開(kāi)采后上部煤層保持相對(duì)完整的最小層間距[18]：

Hm=KmMcosα(2)

式中，Hm為理論開(kāi)采下保護(hù)層的最小層間距，m；Km為頂板管理系數(shù)，冒落法管理頂板時(shí)，Km取10，充 填法管理頂板時(shí)，Km取6；M為下部煤層采厚，m；α為煤層傾角，(°)。

3-1煤層采用全部垮落法管理頂板，Km取10，計(jì)算可得Hm=69.86m，而兩煤層最大層間距為68.65m，接近最小開(kāi)采層間距。

3 上行開(kāi)采理論分析

3.1 “三帶”判別法

“三帶”判別法是通過(guò)把垮落帶高度和導(dǎo)水裂隙帶高度與煤層間距分別進(jìn)行比較，進(jìn)而判定上行開(kāi)采可行性[19]，判定方法見(jiàn)表3。

表3 “三帶”法判定標(biāo)準(zhǔn)

垮落帶和導(dǎo)水裂隙帶的理論計(jì)算公式為：

式中，Hk為理論垮落帶高度，m；M為煤層開(kāi)采厚度，m；Ks為巖石碎脹系數(shù)；α為煤層傾角，(°)；Hd為理論導(dǎo)水裂隙帶高度，m；∑M為煤層累計(jì)開(kāi)采厚度，m。

3-1煤層開(kāi)采厚度M按7m計(jì)算，垮落巖石的碎脹系數(shù)Ks取1.3，煤層傾角α按3°計(jì)算。分別代入式(3)和式(4)得：Hk=25.93m，Hd=62.92m。

由計(jì)算結(jié)果可知，開(kāi)采3 -1煤層后，垮落帶位于兩煤層之間，2-2煤層處于導(dǎo)水裂隙帶之中，屬判定標(biāo)準(zhǔn)的第二種情況，在2-2煤層開(kāi)采時(shí)采取一定措施后，可以上行開(kāi)采。

3.2 比值判別法

比值法是將上、下煤層間距與下部煤層開(kāi)采厚度的比值作為判定上行開(kāi)釆是否可行的一種常用經(jīng)驗(yàn)方法，即：

式中，H為上下煤層間距，m；M為下部煤層采高，m。

文獻(xiàn)[3]對(duì)上行卸壓開(kāi)采的研究表明，當(dāng)K在5.5～9.5之間時(shí)，開(kāi)采上部煤層時(shí)采取一定措施后，可進(jìn)行上行開(kāi)采。3-1煤層和2-2煤層層間距為51.15～68.65m，3-1煤層采高M(jìn)取7m，計(jì)算得到采動(dòng)影響系數(shù)K為7.31～9.81，因此，滿(mǎn)足上行開(kāi)采要求。

4 相似模擬實(shí)驗(yàn)分析

4.1 實(shí)驗(yàn)方案

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)及實(shí)驗(yàn)室條件，相似材料模擬實(shí)驗(yàn)在平面模型架上進(jìn)行，模型的幾何尺寸設(shè)計(jì)為(長(zhǎng)×寬×高)300cm×30cm×130cm。模型幾何相似比(模型∶原型)為1∶100，模型容重比為0.6，時(shí)間比為1∶12。在模型表面采用十字布點(diǎn)法布置位移測(cè)點(diǎn)，采用電子經(jīng)緯儀對(duì)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行位移觀測(cè)。模型共布置8條測(cè)線(xiàn)，從下往上依次為測(cè)線(xiàn)1—8，每條測(cè)線(xiàn)布置30個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)的水平、豎直間距均為10cm，共計(jì)240個(gè)測(cè)點(diǎn)。原始模型及關(guān)鍵層如圖3所示。

圖3 原始模型及關(guān)鍵層

模型開(kāi)挖3-1煤層，研究開(kāi)采本煤層對(duì)2-2煤層的動(dòng)態(tài)影響，為消除邊界效應(yīng)，模型兩側(cè)各保留40cm煤柱，模型每2h開(kāi)采一次，每次推進(jìn)5cm，共分44次采完。

4.2 礦壓顯現(xiàn)規(guī)律

工作面推進(jìn)15～20m時(shí)，直接頂垮落高度超過(guò)1～1.5m，當(dāng)工作面推進(jìn)35m時(shí)，直接頂垮落高度達(dá)到4m；工作面推到距切眼45m處出現(xiàn)老頂初次斷裂并垮落，工作面初次來(lái)壓；隨著工作面繼續(xù)向前推進(jìn)，推進(jìn)到距切眼65m時(shí)，老頂發(fā)生第二次斷裂，工作面第一次周期來(lái)壓，覆巖上方出現(xiàn)離層裂隙，切眼處斷裂角為58°，工作面處斷裂角為69°，斷裂步距為16m；推進(jìn)95m時(shí)，穩(wěn)定巖層下方巖層發(fā)生垮落，垮落帶在頂板上方18m未向上繼續(xù)發(fā)育，并呈現(xiàn)三鉸拱式平衡結(jié)構(gòu)，如圖4所示。在工作面不斷的推進(jìn)過(guò)程中，巖體呈現(xiàn)周期性的斷裂和垮落。至模型回采結(jié)束，共發(fā)生7次周期來(lái)壓，平均來(lái)壓步距18m。

圖4 模型覆巖垮落狀態(tài)

4.3 煤層支承壓力分布規(guī)律

隨著工作面向前推進(jìn)，工作面采動(dòng)應(yīng)力峰值不斷增大并深入煤體，影響劇烈程度增大，支承壓力的峰值趨向分布在距工作面15～30m處。如圖5所示，在回采初期，關(guān)鍵層1支承壓力較小，在采空區(qū)形成卸壓區(qū)域，工作面推進(jìn)50m時(shí)，超前支承應(yīng)力峰值為26.84MPa，距煤壁15m左右，工作面走向應(yīng)力集中系數(shù)為1.43；回采中期，關(guān)鍵層1懸空面積不斷增大，其應(yīng)力集中程度高，超前支承應(yīng)力峰值為27.8MPa，距煤壁25m左右，工作面走向應(yīng)力集中系數(shù)為1.42；關(guān)鍵層1破斷后，超前支承應(yīng)力峰值為30.72MPa，距煤壁25m左右，工作面走向應(yīng)力集中系數(shù)平均為1.53；關(guān)鍵層2結(jié)構(gòu)穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)，未發(fā)生滑落失穩(wěn)，超前支承應(yīng)力峰值為30.73MPa，距煤壁30m左右，工作面走向應(yīng)力集中系數(shù)為1.56。

圖5 不同推進(jìn)距離下煤層支承壓力變化

由煤層頂板支承壓應(yīng)力的分布可知，回采過(guò)程中，工作面走向應(yīng)力集中系數(shù)波動(dòng)范圍小，穩(wěn)定在1.5上下，隨著工作面的繼續(xù)推進(jìn)，采空區(qū)側(cè)向應(yīng)力漸趨平穩(wěn)，在工作面后方40m左右應(yīng)力基本趨于穩(wěn)定，采空區(qū)恢復(fù)到原巖應(yīng)力狀態(tài)，形成良好的卸壓區(qū)域。

3-1煤層回采過(guò)程中，采空區(qū)上覆巖層內(nèi)形成“拱形”垮落帶和裂隙帶，垮落帶高度為44 m，相當(dāng)于采高的6.3倍，裂隙帶位于垮落帶之上，導(dǎo)水裂隙帶高度為83m，切眼處斷裂角為62°，工作面處斷裂角為61°，如圖6所示。雖然裂隙帶發(fā)育高度超過(guò)2-2煤層，但垮落帶未波及2-2煤層，且煤層未發(fā)生臺(tái)階錯(cuò)動(dòng)，整體連續(xù)性良好，因此該煤層在采取一定措施后能夠正常進(jìn)行開(kāi)采，下部3-1煤層開(kāi)采起到良好卸壓作用。

圖6 兩帶分布情況及覆巖斷裂角

4.4 采場(chǎng)覆巖變形分析

下部煤層在開(kāi)采前，煤巖體處于原始應(yīng)力平衡狀態(tài)。當(dāng)煤層開(kāi)采后，采空區(qū)上覆巖層狀態(tài)由彈性向塑性逐漸轉(zhuǎn)變；受采動(dòng)影響，覆巖發(fā)生離層、破斷以及垮落，形成覆巖“三帶”。上覆煤巖呈非線(xiàn)性下沉、以非對(duì)稱(chēng)形態(tài)移動(dòng)，在關(guān)鍵層破斷前后，煤巖下沉量發(fā)生明顯變化，如圖7(b)(c)所示，2-2煤層(測(cè)線(xiàn)6)在關(guān)鍵層2運(yùn)動(dòng)后，下沉量由6mm增加至44mm。模型回采結(jié)束后，垮落帶未繼續(xù)向上發(fā)育，3-1煤層頂板(測(cè)線(xiàn)1、2)測(cè)點(diǎn)最大位移量為71mm，2-2煤層(測(cè)線(xiàn)6)測(cè)點(diǎn)最大位移量為46mm，如圖7(d)所示。在垂直方向上，3-1煤層頂板位移大于2-2煤層；在水平方向上，2-2煤層在開(kāi)始下沉處滯后3-1煤層30m，超前25m停止下沉。

圖7 不同推進(jìn)距離下煤巖下沉曲線(xiàn)

5 結(jié) 論

1)通過(guò)理論計(jì)算，開(kāi)采下部3-1煤層后，2-2煤層處于保護(hù)范圍內(nèi)，垮落帶位于兩煤層之間，2-2煤層處于導(dǎo)水裂隙帶內(nèi)，K為7.31～9.81，滿(mǎn)足上行開(kāi)采要求。

2)初次來(lái)壓步距45m，周期來(lái)壓步距18m，垮落帶高度為44 m，導(dǎo)水裂隙帶高度為83m，切眼處斷裂角為62°，工作面處斷裂角為61°，工作面走向應(yīng)力集中系數(shù)在1.5波動(dòng)。

3)3-1煤層頂板測(cè)點(diǎn)最大位移量為71mm，2-2煤層測(cè)點(diǎn)最大位移量為46mm；2-2煤層處于3-1煤層裂隙帶內(nèi)，且上部煤層整體連續(xù)性較好，卸壓效果顯著，采取一定措施后，可正常進(jìn)行開(kāi)采。