閆小衛(wèi)

(陜西煤礦安全監(jiān)察局榆林監(jiān)察分局，陜西 榆林 719054)

下行開采和上行開采是以煤層的開采順序進行區(qū)分的，通常上煤層的開采對下層煤不會有影響或產(chǎn)生很小的影響，因此實際生產(chǎn)中通常使用下行開采的方式[1-2]。在一些特定的地質(zhì)與開采條件下，如上層煤為劣質(zhì)或不穩(wěn)定煤層而下層煤為優(yōu)質(zhì)穩(wěn)定煤層等情況下，采用上行開采可減少前期投資，短時間內(nèi)達到設(shè)計生產(chǎn)能力，提高經(jīng)濟效益等，但下層煤開采后會使得圍巖應(yīng)力重新分布，影響甚至破壞上覆巖層或煤層[3]。上層煤受采動影響，工作面的礦壓顯現(xiàn)可能出現(xiàn)異常。為此，本文以丁家梁煤礦為研究對象，分析上行開采可行性與工作面礦壓規(guī)律。丁家梁煤礦共4層煤層可采，從上至下分別為Ⅲ-2煤層、Ⅳ-2煤層、Ⅴ-2煤層、Ⅵ-1煤層，經(jīng)論證先行開采Ⅳ-2煤層，隨后開采Ⅲ-2煤層。Ⅳ-2煤層使用“采6留6”房柱式開采方式，待覆巖破斷垮落穩(wěn)定后使用綜合機械化采煤方法回采Ⅲ-2煤層，回采Ⅳ-2煤層會打破上覆平衡狀態(tài)下的圍巖體，使上方巖層發(fā)生形變甚至破斷，Ⅲ-2煤層再進行開采，兩層煤之間的巖層經(jīng)歷兩次開采擾動，當(dāng)工作面回采到下部采空區(qū)附近時，可能會出現(xiàn)較大的下沉傾斜，甚至?xí)霈F(xiàn)底板開裂，臺階式下沉，頂板大面積垮落和片幫等一系列不利的礦壓顯現(xiàn)現(xiàn)象。因此，在對Ⅲ-2煤層是否可上行開采進行分析的基礎(chǔ)上，研究Ⅲ-2煤層工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，對其安全回采管理具有重要意義。

1 地質(zhì)概況

丁家梁煤礦位于東勝煤田準格爾召新廟礦區(qū)南東部，本礦區(qū)煤巖層范圍內(nèi)構(gòu)造簡單，傾角1°～3°，多在1°左右。Ⅲ-2煤層和Ⅳ-2煤層為主采煤層，Ⅲ-2煤層埋深50 m左右，不含夾矸，平均厚度3 m，屬于局部可采的不穩(wěn)定煤層；直接頂為厚6～13 m，平均9 m的泥巖，老頂主要為厚15～30 m，平均24 m的砂質(zhì)泥巖，老頂上方為平均厚15 m的松散層，厚度范圍9～19 m。Ⅳ-2煤層厚為2.34～3.16 m，平均2.75 m，屬全區(qū)可采煤層；距上部的Ⅲ-2煤層34.18～40.06 m，平均距離為35.79 m；該煤層直接頂為泥巖，厚度3～5 m，平均4.2 m；老頂為細砂巖，厚度15～20 m，平均17 m。

2 上行開采理論分析

丁家梁煤礦優(yōu)先開采的Ⅳ-2煤層位于可采Ⅲ-2煤層的下部，為確定先采Ⅳ-2煤層的可行性，使用理論分析和數(shù)值模擬分析Ⅳ-2煤層回采后，覆巖層破壞高度。依據(jù)比值法、“三帶”判別法和圍巖平衡法進行理論計算和分析[4-7]，判斷丁家梁煤礦Ⅲ-2煤層能否進行上行開采。

1) 比值法根據(jù)兩層煤之間的距離和下層煤采高的比值，即采動影響倍數(shù)K值進行理論判斷，當(dāng)兩層煤之間的巖性為中硬巖層時，要求K>7.5，丁家梁煤礦Ⅲ-2煤層、Ⅳ-2煤層之間主要為細砂巖，巖性為中硬，經(jīng)計算K=10.8，理論上可進行上行開采。

2) “三帶”判別法認為若上層煤處于下層煤回采所造成的垮落范圍之內(nèi)會受到較嚴重損壞，煤層無法采出，若上層煤處于下層煤回采造成的裂隙帶范圍內(nèi)，上層煤受影響較小，在必要的安全措施下可以回采，若上層煤處于裂隙帶范圍外則基本不會受到損壞，可正?；夭蒣8-9]，所以“三帶”判別法判斷的關(guān)鍵是下層煤回采形成的垮落帶和裂隙帶的高度。根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)范》，丁家梁煤礦Ⅲ-2煤層、Ⅳ-2煤層之間圍巖為中硬巖層，計算見式(1)和式(2)[10-11]。代入數(shù)據(jù)計算得到垮落帶高度范圍為7.20～11.60 m，裂隙帶延伸范圍為31.05～42.05 m，可知Ⅲ-2煤層處于垮落帶之外，基本位于Ⅳ-2煤層對應(yīng)的導(dǎo)水裂隙帶上限重合的層位，理論上可以進行上行開采。

(1)

(2)

式中：Hm為垮落帶高度，m；HL為裂隙帶高度，m；M為下層煤厚度，m。

3) 根據(jù)圍巖平衡法理論，上層煤處在最靠近下部煤層采空區(qū)的堅硬巖層之上時，即可進行上行開采[12-13]，丁家梁煤礦下層煤采厚M為3.19 m，巖層碎脹系數(shù)K取1.2，平衡巖層厚度h取16.62 m，根據(jù)理論公式M/(K-1)+h計算得到丁家梁煤礦要求的上行開采最小層間厚度H等于32.57 m，而實際上Ⅳ-2煤層與Ⅲ-2煤層的層間厚度為35.79 m。

綜上可知，丁家梁煤礦Ⅲ-2煤層與Ⅳ-2煤層采用上行開采方式可行，但是Ⅲ-2煤層與Ⅳ-2煤層對應(yīng)的裂隙帶距離很近，需進一步分析上行開采Ⅲ-2煤層工作面的礦壓顯現(xiàn)特征，掌握覆巖運移特征，以便指導(dǎo)制定工作面安全回采措施。

3 上行開采數(shù)值模擬分析

3.1 上行開采模型建立

本文利用數(shù)值模擬方法建立丁家梁煤礦上行開采模型，根據(jù)煤礦地質(zhì)條件，模型長為250 m，高為115 m，左右邊界各留50 m保護煤柱，上邊界為地表自由面，左右邊界固定水平位移，下邊界固定垂直位移，模型如圖1所示。

根據(jù)丁家梁煤礦地質(zhì)報告和實驗室煤巖物理力學(xué)參數(shù)測試結(jié)果，選取丁家梁煤礦各巖層模擬物理力學(xué)參數(shù)，結(jié)果見表1。

3.2 下部Ⅳ-2煤層開采圍巖狀態(tài)分析

模型中下煤層回采以房柱式為主，待模型平衡后分析Ⅳ-2煤層房柱式采空區(qū)煤柱穩(wěn)定性和覆巖破壞狀況，垂直應(yīng)力分布見圖2(a)，損傷情況見圖2(b)，損傷因子越大代表損傷程度越高。

Ⅳ-2煤層回采形成高度約為7 m的垮落帶，與理論計算相符，此時留設(shè)的煤柱上方出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，煤柱大部分區(qū)域處于彈性變形階段，整體穩(wěn)定，能夠有效支撐頂板。Ⅳ-2煤層回采后裂隙帶發(fā)育高度約為22.7 m，較理論計算值偏小，分析原因應(yīng)是上部17 m厚細砂巖整體較好， 一定程度上

遏制了裂隙帶的發(fā)育，Ⅲ-2煤層處于裂隙帶范圍之外，數(shù)值模擬結(jié)果得到丁家梁煤礦可以進行上行開采。

圖1 丁家梁煤礦數(shù)值模型Fig.1 Numerical model of Dingjialiang coal mine

表1 煤巖層力學(xué)參數(shù)Table 1 The mechanical parameters of coal and rock

圖2 Ⅳ-2煤層開采后覆巖破壞發(fā)育情況Fig.2 The development of overlying rock failure after mining of Ⅳ-2 coal seam

3.3 上部Ⅲ-2煤層開采圍巖狀態(tài)分析

采用和下部Ⅳ-2煤層開采分析的同一個模型，在下部房柱式開采覆巖破斷垮落運移穩(wěn)定后，接著回采上部Ⅲ-2煤層。上部煤層回采時，層間巖層在經(jīng)受Ⅳ-2煤層回采覆巖垮落影響后，會發(fā)生二次的卸荷破壞，隨著工作面推進距離的增加，覆巖層損傷范圍在逐漸增大，同時損傷程度有所加重，圍巖破斷發(fā)育過程如圖3所示。

圖3 上部Ⅲ-2煤層工作面不同推進距離下圍巖破壞情況Fig.3 The destruction of surrounding rock under different advancing distances in Ⅲ-2 coal seam

工作面推進距離為45 m時，煤層基本頂粉砂質(zhì)泥巖發(fā)生初次斷裂，如圖3(a)所示。分析Ⅲ-2煤層結(jié)構(gòu)可知，此時為工作面基本頂初次來壓，來壓步距45 m左右，此后隨工作面推進發(fā)生周期性破斷，破斷距離20 m左右。下方Ⅳ-2煤層采空區(qū)煤柱應(yīng)力升高，煤柱未發(fā)生破壞；Ⅲ-2煤層工作面底板出現(xiàn)塑性破壞，破壞范圍較小。

工作面回采至60 m時，下方Ⅳ-2煤層采空區(qū)頂板出現(xiàn)塑性破壞，發(fā)生垮落，但煤柱依然能夠支撐頂板，Ⅲ-2煤層工作面底板發(fā)生破壞，破壞深度3 m左右，底板裂隙與下部采空區(qū)采動形成的裂隙貫穿，見圖3(b)。

工作面回采至80 m時，下方Ⅳ-2煤層采空區(qū)部分煤柱發(fā)生塑性破壞，隨著工作面繼續(xù)推進，煤柱周邊頂板垮落，Ⅳ-2煤層與Ⅲ-2煤層間圍巖雖貫穿裂隙，但整體穩(wěn)定，整體緩慢下沉，重新壓實，形成新的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，不會出現(xiàn)大面積垮落現(xiàn)象，見圖3(c)。Ⅲ-2煤層工作面推進至120 m時，向上的裂隙貫穿至地表，地表發(fā)生破壞，此時底板破壞深度約為4 m，破壞深度基本不再隨工作面推進而增加，見圖3(d)。

由于下方采空區(qū)煤柱最終會發(fā)生破壞，因此Ⅲ-2煤層回采時，應(yīng)采取必要的安全措施，如縮短工作面長度，加快工作面回采速度，一定程度上減小采動干擾與礦壓顯現(xiàn)強度，開采時封閉下方采空區(qū)，使用鉆孔探測加強地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測，實時了解巖層厚度變化，保障安全開采。

4 上行開采礦壓顯現(xiàn)規(guī)律分析

4.1 上部Ⅲ-2煤層回采工作面來壓步距理論分析

丁家梁煤礦Ⅲ-2煤層埋藏較淺，且只有上覆厚粉砂質(zhì)泥巖為唯一硬巖層，滿足長梁型[14-15]基本頂失穩(wěn)的條件，可使用相應(yīng)的理論計算公式進行相關(guān)計算。

初次來壓步距計算公式見式(3)。

(3)

周期來壓步距計算公式見式(4)。

(4)

式中：Lf為初次來壓步距，m；Lp為周期來壓步距，m；h2為斷裂基本頂?shù)暮穸?，m;Rt為基本頂抗拉強度，MPa;γ為巖石容重，kN/m3；h3為隨動層(上覆軟層)的厚度，m；

根據(jù)Ⅲ-2煤層賦存條件，基本頂厚度取24 m，基本頂抗拉強度取1.94 MPa，上覆巖層容重取21 kN/m3，上覆隨動巖層厚度取20 m，帶入式(3)和式(4)中，得到Ⅲ-2煤層工作面初次垮落步距為48.96 m，周期垮落步距為20.16 m。

4.2 上部Ⅲ-2煤層回采工作面礦壓顯現(xiàn)實測分析

上部Ⅲ-2煤層綜采工作面長度100 m，采高3 m，循環(huán)進尺0.8 m，采用專用礦壓監(jiān)測設(shè)備監(jiān)測記錄工作面支架工作阻力在回采過程中的變化情況，通過近一個月的觀測，得到工作面支架工作阻力典型的變化特征，如圖4所示。

通過分析可知，丁家梁上部Ⅲ-2煤層綜采工作面初次來壓步距約為49 m，來壓持續(xù)3 m左右，支架工作阻力平均為8 873 kN，經(jīng)計算，動載系數(shù)為1.35，動載顯現(xiàn)明顯。 周期來壓步距范圍為16.15～23.3 m，平均周期來壓步距19.9 m，來壓動載系數(shù)為1.3，來壓步距與理論計算結(jié)果基本一直，工作面回采過程中礦壓顯現(xiàn)明顯，需要保證液壓支架初撐力達到設(shè)定值，及時支護頂板，防止淺埋煤層頂板發(fā)生切落壓死支架。

圖4 Ⅲ-2煤層工作面支架工作阻力觀測結(jié)果Fig.4 Observation results of support working resistance in Ⅲ-2 coal seam

5 結(jié) 論

1) Ⅳ-2煤層工作面垮落帶高度范圍為7.20～11.60 m，裂隙帶延伸范圍為31.05～42.05 m，Ⅲ-2煤層基本位于Ⅳ-2煤層對應(yīng)的裂隙帶上限重合的層位。

2) 數(shù)值模擬結(jié)果表明，Ⅲ-2煤層開采后，下部采空區(qū)頂板部分垮落，留設(shè)煤柱緩慢發(fā)生破壞，Ⅲ-2煤層與Ⅳ-2煤層間巖層裂隙帶貫通，但是層間圍巖整體穩(wěn)定，緩慢下層，形成新的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，無大面積垮落現(xiàn)象，由此驗證Ⅲ-2煤層上行開采可行性，但Ⅲ-2煤層需采取必要的安全措施。

3) 理論計算Ⅲ-2煤層頂板破斷距離，初次垮落步距48.96 m，周期來壓步距20.16 m。Ⅲ-2煤層回采時，采取必要的安全措施，如縮短工作面長度至100 m，加快工作面推進速度，封閉下方采空區(qū)，加強地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測；實際開采過程中，初次來壓步距49 m，周期來壓步距19.9 m，動載系數(shù)約為1.3，礦壓顯現(xiàn)與理論計算相符且規(guī)律明顯。