急傾斜煤層上行開采可行性研究

何 攀，康 虹

四川廣旺能源發展（集團）有限責任公司趙家壩煤礦

急傾斜煤層上行開采可行性研究

何 攀，康 虹

四川廣旺能源發展（集團）有限責任公司趙家壩煤礦

針對趙家壩煤礦9#煤層上行開采對7#煤層影響等問題，通過現場資料收集，理論分析結合實驗室數值分析及相似模擬，并結合現場探測，確定覆巖的采動影響范圍、巖層移動角、“三帶”的劃分、7#煤層破壞程度等；通過數值模擬9#煤層覆巖的變形破壞形態，模擬7#煤層走向和傾斜的下沉曲線，模擬采動應力場的分布規律，確定7#層及其底板的破壞程度，驗證上行開采安全性及可行性。

急傾斜；上行開采；上覆巖層；采動應力場

引言

我國煤礦在開采煤層群時，一般采用下行開采。上行開采是一種特殊的開采方法，其優點是：準備時間短，出煤快；當煤層頂板含水時，對上部煤（巖）層可起到疏導水的作用；有利于排除工作面內的積水等優點。在煤炭市場低迷時期，煤炭企業大面積虧損，資金緊缺，投入不足，若先采下部煤質好、生產能力大的主采煤層，可減少當前企業虧損。

近年來，隨著礦井開采深度的增加，深井高應力難采煤層下行開采中存在頂板管理困難，推進速度慢，影響下部煤層的開采和接替；回采巷道變形破壞嚴重，支護難度大，維護困難；沖擊地壓危險性大，煤與瓦斯突出。而上行開采在解決上述問題上具有獨特的作用。因此研究上行開采技術，并使得其取得良好的技術經濟效果對拓寬開采工藝的適用范圍、發揮其開采潛力，提高礦井機械化開采水平、經濟效益和煤炭采出率有重要的意義。

1 地質情況概況

9#煤層屬于較穩定煤層，采區內該煤層厚0.68-1.30m，平均煤厚1.05m，夾矸3-6層，煤層硬度系數1-2，偽頂為灰色泥巖，直接頂為灰色泥質粉砂巖夾碳質泥巖，直接底為細砂巖夾泥巖和碳質泥巖，煤層傾角47°～55°之間，平均傾角為50°，從104采區降標高石門及104采區下部車場石門揭露情況來看，采區內由+340m水平向+115m水平延伸煤層傾角呈逐漸減小的趨勢。

7#煤層屬于較穩定煤層，采區內該煤層厚度0.44～0.64m，平均煤厚0.53m，夾矸1～6層，偽頂為灰黑色泥巖及碳質泥巖夾煤線，直接頂為雜色礫巖，直接底為灰色泥質粉砂巖夾碳質泥巖，煤層硬度系數1～2，煤層傾角與9#煤層一致。7#煤層與9#煤層之間的間距為22.8m。

2 上行開采覆巖破壞規律及可行性分析

2.1 覆巖破壞與圍巖平衡

在原始應力區和煤壁支撐區，由于受工作面前方煤壁和上方巖層的支撐作用，上部巖層水平拉伸變形，下部巖層壓縮變形劇增；非平衡帶巖層主要是直接頂巖層，它在采空區冒落的矸石，不能傳遞有規律的水平力，位于這帶范圍內的煤（巖）層將遭受嚴重破壞；準平衡帶巖層主要是指裂隙帶的下位巖層，形成“煤壁——支架——矸石”為支撐體系的巖層結構，斷裂巖塊相互鉸接，始終能向煤壁前方和采空區矸石傳遞水平力，呈明顯的周期性運動，在開采過程中斷裂巖塊有臺階式的錯動，這帶范圍內的煤（巖）層會受到明顯破壞，但采空區矸石壓實后臺階下沉又可恢復并形成平衡巖層結構；平衡帶巖層是指裂隙帶中上位及以上巖層，它形成“煤壁及其上部巖體——矸石”為支撐體系的平衡巖層結構，周期性運動不明顯，巖層自身可形成平衡結構。平衡巖層結構能阻止上覆巖（煤）層縱向呈現臺階式錯動，因此，當上部煤層位于距下部煤層最近的平衡巖層之上時，可采用上行開采。

2.2 上行開采可行性分析

2.2.1 比值判別法

9#煤層工作面位于7#煤層工作面下方，其對7#煤層工作面的采動影響系數K為15.2。為保障上行開采的安全性及可行性，此處選取煤層最大開采高度，開采高度為1.5m。兩層煤之間巖性基本上為砂質泥巖，是中硬巖層，K>7.5就可上行開采，可知上行開采可行。

2.2.2 “三帶”判別法

覆巖破壞高度和破壞特征,是衡量上行開采時對上部煤層采動影響的主要標志。7#煤層與9#煤層間距為22.8m，因此7#煤層處于9#煤層開采后形成的裂縫帶上部附近，7#煤層受破壞程度較小，出現一些微小不聯通的裂隙。采取一定安全措施之后可正常進行上行開采。

2.2.3 圍巖平衡法

在回采過程中，能夠形成不發生臺階錯動的平衡巖層結構的巖層稱為平衡巖層。上煤層的開采應在下煤層開采引起的巖層運動穩定之后進行；上行開采必要的層間距H可根據與9#煤層采高、巖石碎脹系數和平衡巖層厚度的關系得出為9.84m左右。7#煤層與9#煤層間距22.8m，位于平衡巖層上方，9#煤層開采后，7#煤層自身可形成平衡巖層結構，層間不發生臺階錯動，上行開采可正常進行。

2.2.4 時間間隔判定

根據《三下采煤規程》：可根據最大下沉點的下沉與時間關系曲線和下沉速度曲線求得。無實測資料時，地表移動的延續時間T可根據下式計算：T=2.5H0（d），H0為工作面平均采深，此處為7#和9#煤層的層間距22.8m，則上下煤層的開采間隔時間不小于T=2月。

3 數值分析論證可行性

通過分析3DEC數值模擬分析得出，該模型能夠較為全面地反映出工作面開采后采場的礦壓規律，由于大傾角煤層走向、傾向方向上表現出與近水平緩傾斜煤層較大不同的礦壓規律。

4 結論

通過研究9#煤層工作面開采上覆巖層破壞、離層和垂直壓力、位移情況，得到7#煤層變形破壞情況，得出以下結論：9#煤層開采后，綜合確定取垮落帶高度為4.2m；綜合分析三種方法取裂隙帶高度19.4m；9#煤層開采后，7#煤層位于彎曲下沉帶內，7#煤層有少量的與頂底板不貫通的采動裂隙，7#煤層沿走向和傾向的下沉量曲線都為連續的平滑曲線，7#煤層沒有產生臺階下沉等突變現象，上行開采可行；7#煤層在傾斜方向的采動影響長度100m，綜合三種方法考慮取巖層移動角650；上山移動角990，走向移動角6800；將巷道布置在應力集中邊界角以內，處于應力降低區，但煤（巖）體已產生不同程度的破壞，將巷道布置在應力集中邊界角以外，處于應力集中區，煤（巖）體破壞程度小但應力高；綜合三種方法考慮下山充分采動角取200；上山充分采動角取740；充分采動角取400。按充分采動角劃定的7#煤層充分采動區傾斜長度為30.39m，該區域位于9#煤層采空區的中上部，該區域內的7#煤層恢復原始產狀，最大下沉量0.43m。將7#煤層的回采巷道和回采工作面布置在該區域內則巷道維護和工作面回采受到的影響最小，為了擴大該區域的傾斜寬度，應在9#煤層開采兩個區段后再開采7#煤層，且9#煤層不得留設區段煤柱。

何攀（1973-），男，四川南江人，大學本科學歷，畢業于西安科技大學，采礦高級工程師，現任趙家壩煤礦生產副礦長。