寸草塔矿特殊条件下上行开采可行性研究

寸草塔矿特殊条件下上行开采可行性研究

宋占有

宋占有（伊泰煤炭股份公司）

摘要：预测评估了房柱开采下层2-1中煤层，长壁开采上层2-1上煤层的反程序可采可行性。认为寸矿2-1中煤层应用长壁工作面的上行开采可行，能保证安全。

关键词：寸草塔矿房柱开采上行开采资源回收

1寸矿上行开采的地质赋存概况

寸草塔矿属于改扩建矿井，赋存有近距煤层群。以往采用房柱先开采赋存条件优良的2-2上煤层。为充分回收已探明煤炭资源，计划采用长壁综采回收2-1中煤层，这就形成了特殊房采条件下上行可采难题。

寸草塔煤矿43116面柱状如图1所示，2-2上煤厚1.27m。位于煤层之上有3.42m厚的白色粉砂岩和3.56m的深灰色泥质粒粉砂岩。2-1中煤厚1.07m。2-1中与2-2上间距为6.6-25.81m，平均16m，属于近距煤层。煤层倾角1~3°。

过去，2-2上煤层房柱开采为采6m留6m煤柱的顶板控制方式。2-1上煤工作面斜长240m，采深51～312m。采用走向长壁后退式一次采全高全部垮落采煤法采煤。工作面采用液压支架支护，双滚筒采煤机割煤。

22-1中煤层上行开采可行性预测

2.1基于比值判别法的2-1中煤上行开采的可行性分析

上、下煤间距和下煤层采厚是影响能否上行开采的主要技术因素。为此，定义上、下煤层间距H与下煤层采高M之比K为采动影响倍数。当下部开采多个煤层时，综合采动影响倍数称为K＇。当下部开采一个煤层时，用比值K的大小判别，即

K=■（1）

式中：H-上下煤层之间的垂距，m；M-下煤层采高。

国内上行开采实践及研究证明，当比值K＞7.5时，先采下部煤层不影响在上煤层内进行正常准备和回采。

将采高与垂距代入，K=■=12.6＞7.5，因此，寸矿2-1中煤可以上行开采。

2.2基于“三带”判别法的2-1中煤上行开采的可行性预测

当上、下煤层间距小于等于下煤层冒落高度时，上煤层的结构将遭到严重破坏，无法进行上行开采。当上、下煤层间距小于等于下煤层的裂隙带高度时，上煤层结构只发生中等程度的破坏，采取一定的安全措施后，可正常进行上行开采。当上、下煤层间距大于下煤层裂隙带高度时，上煤层只发生整体移动，结构不破坏，可正常进行上下开采。

寸草塔矿2-2上煤层顶板由砂岩、页岩等组成，其岩石抗压强度17.45~74.12MPa，属软弱中硬岩层。故冒落带高度Hm可按照下式计算：

Hm=■±2.2（2）

裂隙带高度Hl为

Hl=■±5.6（3）

式中，■M为累计采厚，m。

将采厚1.27m代入(2)和(3)式，冒落带高度为（5.08±2.2）m，裂隙带高度为（16.9±5.6）m。因此，如2-2上煤层是长壁开采条件，则2-1中煤层与2-2上煤间距基本等于裂隙带高度，采取滞后一定时间措施后，可进行上行2-1中煤层的安全开采。更因2-2上煤层采用房柱开采，顶板的冒落带与裂隙带高度要远比上述预测值小，在采5留5的房采时，如裂隙带高度减少1/3，则仅为11.27m，小于上、下煤层间距，可实现上煤层的安全开采。

2.3基于围岩平衡法则的2-1中煤上行开采的安全性判别

依据围岩平衡点，采场覆岩可分为非平衡带(冒落带)、部分平衡带(裂隙带下位岩层)、平衡带(裂隙带下位岩层之上的上位岩层)。此裂隙带的上位岩层形成“煤壁-上覆岩层-矸石”为支撑体系的岩层结构，该平衡岩层结构不发生台阶错动。裂隙带的下位岩层形成以“煤壁-支架-矸石”为支撑体系的岩层结构。此岩层结构因支架作用可获得平衡。采场覆岩中具有一定厚度而强度较高的岩层是控制采场覆岩移动的关键。回采时，能形成无台阶错动平衡结构的岩层称平衡岩层，从下煤层顶板至平衡岩层顶板的高度称围岩平衡高度。煤层位于下煤层采动平衡岩层之上时，可正常进行上行开采。

寸草塔矿2-2上煤层顶板中有厚度大于采高的粉沙岩、砂质泥岩。这些较坚硬的顶板在采煤引起的岩层移动中能起平衡作用，可阻止上覆岩（煤层）层发生台阶错动。

围岩平衡高度H为

H=M／（Kp-1）+h（4）

式中：H为下煤层采高，m；Kp为岩石碎胀系数，取Kp=1.10；h为平衡岩层本身的厚度，取h=3.0m。

为此，可得围岩平衡高度为15.7m，小于煤层间距16.9m。如考虑房柱开采影响则更有利。对照岩层柱状图找标志层，因存在厚度大于采高、节理裂隙发育的硬砂岩，在采煤过程中能起平衡作用，其上部的覆岩（或煤层）不发生台阶错动，可以实现2-1中煤层的上行安全开采。

32-1中煤层上行开采的模拟试验研究

相似模拟试验时，先模拟2-2上煤层房柱开采的顶板移动破坏规律和煤柱稳定性规律，据此评价2-1中煤的上行开采可行性。下层房柱开采模式是采6m留6m，试验结果如下。

根据寸草塔矿2-2上煤顶板岩层柱状，2-2上煤层直接顶为泥质粉砂岩，厚度3.42m。在模拟试验时，房柱开采的煤柱最大应力小于抗压强度，煤柱未发生明显变形，开采2-2上煤层顶板基本保持完整，并未垮落。

随着2-2上煤层房柱开采进行，顶板应力发生变化，对于寸草塔2-2上煤房柱开采一系列排列整齐的煤柱，其最大集中应力均小于煤柱抗压强度，6m宽支撑煤柱是稳定的。

寸草塔矿2-2上煤层房柱开采破坏了上覆岩层的原始应力平衡状态，模型开挖过程中覆岩及2-1中煤层保存完整，连续性保持完好，没有出现台阶下沉，说明2-2上煤的房柱开采对2-1中煤层的完整性影响很小。由此可见，2-1中煤层应能实现安全开采。

42-1中煤层上行开采的数值仿真模拟研究

为验证岩层控制理论分析与相似模拟试验的结果，又用ANSYS10.0通用程序数值模拟该矿特殊条件下的2-1上煤反程序开采问题。

寸草塔矿研究区域煤层倾角较小（3°），实际数值模拟时按水平煤层考虑。模型中各岩层自上往下依次为风积沙、细砂岩、泥质粉砂岩、煤、粉砂岩、泥质粉砂岩、煤、粉砂岩，共8层，有2层煤，分别是2-2上，2-1中，煤层均厚分别为1.27m、1.07m。

模型在X方向上取120m，Z方向上取60m，根据煤层开采深度在Y方向上取185.8m。模型左右边界在X方向距离开切眼边界15m，尽量减小模型边界效应的影响。考虑计算机容量、计算时间等因素，基本单元大小定为4m×4m。为了解煤层周围单元塑性区发展状况，对煤层周围介质进行了细化处理，模型共划分成11396个单元，70559个节点。

4.12-2上煤房柱开采后煤柱稳定性模拟结果评价

在开采边界和隔离煤柱上产生了明显的应力集中现象，煤柱应力不是均匀分布。煤柱四周边缘部分，存在集中应力，最大应力值6.4MPa，该集中应力为原始应力的1.38倍。开采边界的未采动煤岩体吸收很大一部分应力，其集中程度不如中间隔离煤柱明显。

4.22-2上煤房柱开采后顶板稳定性模拟结果评价

由于房柱式开采2-2上煤层滞留大量的煤柱，使得2-2上煤层顶板活动规律不同于长壁采煤方法，房柱法在回采煤柱间煤房空顶时，顶板压力主要由煤柱来承担，直接顶和老顶主要处于悬顶或弯沉状态，一定时间内，直接顶或老顶压力显现有所减缓。随着空顶的面积不断增加，煤柱的渐进破坏，顶板的裂纹或弱面充分发展到一定程度，发生间歇式失稳破坏。整体来看，2-2上煤房柱开采后，顶板岩层移动比较缓慢，垂直位移在15.6~54.1mm之间，无明显离层和垮落发生，顶板是稳定的。

5小结

通过对顶板活动规律以及煤柱支撑稳定性的综合研究，可以得出采6留6的煤柱稳定性较好，顶板移动缓慢且连续一致，保持良好连续性，未对将要开采的2-1中煤层造成结构完整性破坏。

参考文献：

[1]汪理全，李中颃.煤层(群)上行开采技术[M].北京:煤炭工业出版社，1995.

[2]徐永沂.煤矿开采学[M].徐州：中国矿业大学出版社，1999.