近距离煤层上行开采可行性判定

近距离煤层上行开采可行性判定

贾志明

）（山西焦煤西山煤电股份有限公司马兰矿，山西古交０３０２０５

摘要：本文针对现阶段煤矿资源短缺的难题，提出可以采用上行开采提高矿井煤炭资源采出率。介

绍了目前上行开采的影响因素及判别方法，通过理论计算判别了晋华宫煤矿下煤层采出后造成的上覆煤岩层损伤范围未波及到上部煤层，并进行了工业试验，取得了良好的应用效果。关键词：上行开采；煤炭采出率；损伤范围中图分类号：ＴＤ８２３文献标志码：Ａ文章编号：１００９－０７９７（２０１９）０２－０１８８－０３

Feasibilitydeterminationforupwardminingofshortdistancecoalseams

ＪＩＡＺｈｉｍｉｎｇ

（ＭａｌａｙＭｉｎｅ，ＳｈａｎｘｉＣｏｋｉｎｇＣｏａｌＸｉｓｈａｎＣｏａｌａｎｄＥｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｇｕｊｉａｏ０３０２０５，Ｃｈｉｎａ）

Ａｉｍｉｎｇａｔｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｏｆｓｈｏｒｔａｇｅｏｆｃｏａｌｒｅｓｏｕｒｃｅｓａｔｔｈｅｐｒｅｓｅｎｔｓｔａｇｅ，ｔｈｉｓｐａｐｅｒｐｕｔｓｆｏｒｗａｒｄｔｈａｔｕｐｗａｒｄｍｉｎｉｎｇｃａｎｂｅｕｓｅｄｔｏAbstract：

ｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｒｅｃｏｖｅｒｙｒａｔｅｏｆｃｏａｌｒｅｓｏｕｒｃｅｓ．Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｉｎｇｆａｃｔｏｒｓａｎｄｄｉｓｃｒｉｍｉｎａｎｔｍｅｔｈｏｄｓｏｆｕｐ－ｇｏｉｎｇｍｉｎｉｎｇａｔｐｒｅ－ｓｅｎｔ，ａｎｄｄｉｓｃｒｉｍｉｎａｔｅｓｔｈａｔｔｈｅｄａｍａｇｅｓｃｏｐｅｏｆｏｖｅｒｌｙｉｎｇｃｏａｌｓｅａｍｃａｕｓｅｄｂｙｔｈｅｍｉｎｉｎｇｏｆｌｏｗｅｒｃｏａｌｓｅａｍｉｎＪｉｎｈｕａｇｏｎｇＣｏａｌＭｉｎｅｄｏｅｓｎｏｔｒｅａｃｈｔｈｅｕｐｐｅｒｃｏａｌｓｅａｍｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ，ａｎｄｃａｒｒｉｅｓｏｕｔｉｎｄｕｓｔｒｉａｌｔｅｓｔ，ａｎｄａｃｈｉｅｖｅｓｇｏｏｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓ．Keywords:ａｓｃｅｎｄｉｎｇｍｉｎｉｎｇ；ｃｏａｌｒｅｃｏｖｅｒｙｒａｔｅ；ｄａｍａｇｅｓｃｏｐｅ

DOI:10.13606/j.cnki.37-1205/td.2019.02.065

０引言

下部煤层开采造成上覆煤岩层的应力环境发生变化，且发生一定的移动变形。若下煤层开采造成上

上世纪由于许多煤矿追求经济效益越过了赋

存条件较差的薄煤层，优先开采了下面赋存条件较

好的厚煤层，但由于煤炭是不可再生资源，随着煤炭资源的不断开采，地质赋存条件好的煤层逐渐减少，为了满足日益增长的煤炭需求量，许多煤矿开始关注之前弃采的薄煤层，此类煤层下方大多存在采空区，因此，在开采之前需要进行上行开采可行性判定［１］。

由于下部煤层垮落式开采后，受开采的影响，上覆煤层会发生水平和垂直变形，原有的应力状态也遭到了破坏，围岩大范围松散破碎，稳定性变差，

对上行开采的安全性造成很掘进巷道难于维护［２］，

大的影响。因此，进行下煤层开采后对上覆煤岩层造成损伤范围的研究，对于上行开采的安全生产和提高煤炭采出率具有重要意义。

覆煤岩层的破坏范围波及到上覆煤层，上煤层发生较大的下沉变形，则不能进行安全上行开采；若破坏范围未波及到上覆煤层，上煤层保持了较好的连续性和完整性，则可以保证上行开采的安全性［３，４］。１．１上行开采可行性影响因素

总结前人研究经验，可以得到上行开采可行性的影响因素有：采煤方法、下部煤层采高、上下煤层层间距、层间岩层岩性以及采动时间效应。

１）采煤方法。采煤方法主要分为壁式和柱式，若采用壁式垮落法采煤，下煤层采出后，煤层顶板垮落至采空区内，上覆煤岩层会发生较大的移动变形，对上覆煤层的连续性和完整性容易造成影响，对上行开采的安全不利；若采用柱式采煤法，下煤层采出后，只有直接顶发生垮落下沉，而上覆老顶及层间岩层不会发生较大的下沉变形，因此上部煤层保持了良好的连续性和完整性，大部分都可以进行安全开采，但要防止二次采动影响产生再次垮落。

１近距离煤层群上行开采研究现状

［１］某矿３号煤底层复采技术的应用［Ｊ］．张茂生．山西能源

学院学报．２０１７（０１）：２１－２２．

［２］残煤复采技术在安泰煤矿中的应用［Ｊ］．郭计云．山西能

源学院学报．２０１７（０２）：１０－１１．

［３］水采区复采方法的研究与应用［Ｊ］．张成勇，纪峰，宋丹．中

小企业管理与科技（下旬刊）．２０１０（０２）；１４９－１５０．

作者简介：

马志虎，１９７０年１０月生，汉族，山西省晋城市阳城县人，山西大同大学采矿工程专业毕业，硕士学位，采煤工程师，注册安全工程师，现任山西阳城阳泰集团西冯街煤业有限公司董事长、矿长。

（收稿日期：２０１８－１０－１２）

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煤矿现代化２０１９年第２期

总第１４９期

２）下部煤层采高。下部煤层的采高直接决定了

采出后的垮落带、裂隙带高度。若上部煤层处于下部煤层采出形成的垮落带内，则不能进行安全开采，若处于裂隙带内则可以采取一定安全措施后进行上行开采。因此，在层间距一定的情况下，下部煤层采高越大，越不利于进行上行开采。

３）层间距。上下煤层之间的层间距是影响上行开采的重要因素。层间距较大时，下部煤层开采造成的损伤范围未波及到上部煤层，则可以进行上行开采；反之，则不可以上行开采。因此，再采高一定的情况下，层间距越大越有利于进行上行开采。４）层间岩层岩性。层间岩层岩性也是影响上行开采的因素之一。若层间岩层为细砂岩等较硬的岩层，则层间岩层可以保持良好的结构，利于上行开采的进行。若层间岩层为较软的岩层，不能形成稳定的结构，则无法保证上行开采的安全性。５）采动时间效应。下煤层采出后，需要一定的时间上覆煤岩层才会发生垮落，下沉变形直至压实稳定，根据前人研究，可以得到上下煤层采动间隔时间为Ｔ＝２．５Ｈ（Ｈ为最大层间距），待采动影响稳定后，则可以进行上行开采。

１．２现有上行开采可行性判别方法

１）“三带”判别法。根据下部煤层的采高和层间岩层的岩性，选择合适的“三带”计算经验公式，对下部煤层采出后的三带高度进行计算。若上部煤层处于下煤层采出后形成的垮落带内，则不可以进行上行开采，若位于裂隙带和弯曲下沉带内，则可以进行上行开采。

２）采动影响倍数法。通过对以往进行上行开采的煤矿实例分析，得到了一个判别是否可以上行开采的经验公式。即：采动影响倍数ｋ＝Ｈ（层间距）／Ｍ），若ｋ＞７．５，则可以进行上行开采；若ｋ＜７．５，则上煤层处于下煤层采动影响范围内，不可以进行上行开采。

３）数理统计分析法。根据近年来许多煤矿成功运用上行开采的工作面实践经验，我国煤炭科学研究总院同分现场实测、一系列理论计算得到了关于下煤层开采后上行开采需要的安全层间距的经验公式：

Ｈ＞１．１４Ｍ下２＋４．１４＋Ｍ上式中：Ｈ为安全层间距；Ｍ下为下部煤层的采高；Ｍ上为上部煤层的厚度。

２下煤层工作面采空区上方岩层损伤影响

范围分析

总结前面研究，是否可以上行开采决定于下部

煤层开采造成上覆岩层的损伤破坏范围有关，为了进一步确定上覆岩层发生损伤破坏的具体范围，需

对下煤层采出后上覆岩层的受力状态进一步分析。

下部煤层采出后，上煤层围岩力学状态发生变化，导致发生一系列移动变形，对于长壁垮落法开采工作面，可以将采场围岩简化为平面力学模型分析其围岩破坏状态。根据力学分析可以得到下部煤层采出后采空区上覆煤岩层的损伤影响范围［５］为：

8Ｍ－Ｗ8２ｈ１．５７γ２ＬＨ－Ｍ－１＝４β（Ｋ－１２Ｒｃ２）ｃｏｓα＋（Ｋ－１）ｃｏｓＭ－Ｗα（１）式中：Ｌ为采场的开采宽度；Ｈ为下部煤层埋

深；Ｗ为冒落过程中顶板的下沉值；Ｍ为下部煤层采高；Ｋ为碎胀系数；α为煤层倾角；γ为采场上覆岩层的平均容重；Ｒｃ为上覆岩体平均抗压强度；β为岩体节理裂隙影响系数。

由此可以判断上部煤层与损伤影响范围的关系，若波及到上部煤层，则不可以上行开采；反之，则可以上行开采。

３

工程实例

３．１

工程概况

晋华宫煤矿是典型的资源短缺型老矿，由于经济及人为因素、技术设备落后等，晋华宫煤矿跨过上部９号煤层优先开采了下部１２号地质赋存条件好的厚煤层，下部１２号煤层采用垮落法开采，现由于煤炭资源短缺，现想要上行开采回收上部９号煤层。

晋华宫煤矿９号、１２号煤层属于典型的近距离煤层，１２号煤层平均厚度为５．７ｍ，平均倾角为３°，煤层结构稳定，９号煤层平均厚度为１．７ｍ，平均倾角为２°，煤层结构较稳定，部分可采，上下煤层平均层间距为５４ｍ。

３．２上行开采可行性判定

根据现场工作面资料，可以得到煤岩层参数：Ｍ＝５．７ｍ；Ｈ＝２９３ｍ；Ｗ＝４．３ｍ，Ｋ＝１．３；α＝０°；Ｌ＝１６０ｍ；β＝０．６５；Ｒｃ＝１４．５ＭＰａ；γ＝２５ｋＮ／ｍ３，代入到式（１）中，计算可得：ｈ１＝３５．３ｍ＜３７．５ｍ。可知：晋华宫煤矿下部１２号煤层开采造成的上覆煤岩层损伤破坏范围未波及到上部９号煤层，因此，可以进行上行开采。

再考虑采动影响时间效应：由前文所述公式可得Ｔ＝２．５×５４＝１３５天，可知上行开采最少间隔时间

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·（下煤层采高煤矿现代化２０１９年第２期总第１４９期

为１３５天。

３．３上行开采工作面矿压显现规律分析

为验证晋华宫煤矿９号煤层上行开采工作面

的合理性，对９号煤层９１２２上行开采工作面安装ＫＪ５３３矿山在线监测压力表，对上行开采工作面推进过程中的支承压力进行监测，在上行开采工作面设置三条测线，即分别在端头、中部、端尾安装压力检测表，通过记录液压支架压力的数据，可以得到晋华宫煤矿９号煤层上行开采工作面推进过程中液压支架工作阻力的变化规律，如图１所示：

（ａ）

工作面端头（ｂ）工作面中部

（ｃ）工作面端尾

图１

９１２２上行开采工作面推进过程中支承应力分布

由图１

（ａ）、（ｂ）、（ｃ）可知，晋华宫煤矿９号煤层上行开采工作面推进过程中，工作面端头、中部及·190

·端尾的支架普遍受力状态良好，没有支架被压坏的情况产生。由图可以得到，上行开采工作面观测期间共经历了７次周期来压，周期来压平均步距为１５￣３０ｍ，来压期间支架平均支承应力约为２５７０ｋＮ。

由图１可知，工作面推进过程中，工作面长度推进方向上，工作面两端来压支承压力略小于工作面中部，支承压力整体呈现为中间大两端小的分布特点，这是因为推进到工作面中部时，老顶及上覆岩层发生垮落中部下沉量最大，而两端受区段煤柱支承影响液压支架受力较小。可知晋华宫煤矿９号煤层上行开采工作面中部最大支承压力为２８９０ｋＮ，采取一定安全措施后可以保证上行开采工作面的安全推进。

４结束语

针对现阶段许多矿井煤资源短缺问题，

可以采用上行开采回收之前弃采的地质赋存条件较差的薄煤层，上行开采的可以提高煤炭采出率，促进可持续发展战略。本文着重介绍了现阶段上行开采的研究现状，影响上行开采的主要因素分别为层间距、下煤层采高、采煤方法、岩性及采动时间效应，及其主要的几种判别是否可以上行开采的方法，提出了计算下部煤层开采上覆煤岩层损伤范围与层间距相比较，确定是否可以上行开采的方法，并在晋华宫煤矿得到了成功应用，通过分析现场实测数据表明上行开采工作面可以保持稳定。

参考文献：

［１］庞义辉，刘俊峰，袁任远．龙王沟煤矿特厚煤层上行开采可

行性分析［Ｊ］．煤炭工程，２０１３，（２）：８－１０，１３．

［２］王洪明，徐强，孙伟，等．某矿２－２煤层上行开采可行性研

究［Ｊ］．煤炭技术，２０１８，（６）：８６－８８．

［３］尤亚．南山煤矿近距离煤层群上行开采可行性研究［Ｊ］．中

国煤炭，２０１８，（９）：５８－６３．

［４］赵党伟，张百胜，韩成寿．南庄矿综采工作面上行开采可行

性研究［Ｊ］．煤炭技术，２０１５，（４）：３０－３２．

［５］冯国瑞，闫旭，王鲜霞，等．上行开采层间岩层控制的关键

位置判定［Ｊ］．岩石力学与工程学报，２００９，（ｚ２）：３７２１－３７２６．作者简介：

贾志明（１９８０－），男，汉，山西太原人，本科，２０１５年毕业于太原理工大学采矿工程专业，研究方向：采矿工程。

（收稿日期：２０１８－１１－６）