煤矿上行开采可行性研究

煤矿上行开采可行性研究

郭静

神木县隆德矿业有限责任公司 陕西 719300

摘要：上行开采是一种特殊顺序的开采方法，进行上行开采时，若下部煤层采用长壁采煤法进行开采，由于采场较少留设煤柱，老采空区上覆岩层垮落比较充分，如果上下煤层的开采时间间隔足够长，且上部煤层的连续性不受到破坏，即可进行上行开采；若下部煤层采用部分开采方法，如房柱式开采或条带式开采，此时采空区遗留较多的留设煤柱，老采空区上覆岩层一般不垮落或垮落不充分，则此时在上部煤层开采产生的采动压力的影响下，可能造成下部煤层老采空区保留煤柱的失稳，引起上覆岩层的垮落破坏和长壁工作面底板岩层失稳，威胁上部煤层采煤工作面的生产安全。因此，有必要研究4^-2上、4^-3煤层上行开采所引起的采动覆岩及层间岩层移动变形，确定层间岩层应力再次分布特征、卸压范围及岩层移动变形演化过程，科学分析煤矿上、下煤层开采的相互作用、相互影响，综合评价上行开采可行性，为煤矿安全生产提供理论依据。

关键词：上行开采；采动压力；煤柱；岩层失稳；移动变形；卸压；影响

某煤矿剩余可采区域，临近5^-2煤层房柱式采空区，存在蹬空开采问题， 针对某煤矿5^-2煤层房柱式开采完成后，需上行开采4^-2上、4^-3煤层的工程实际，通过科学类比、理论计算、数值模拟、相似模拟实验的方法，分析5^-2煤层房柱式开采过程中煤柱稳定性、层间岩层运移规律及上部4^-2上、4^-3煤层连续性和完整性，研究上行开采时上下煤层开采的相互作用、相互影响，综合评价上行开采可行性，为煤矿安全生产提供理论依据。

鉴于煤矿赋存条件和开采现状，在5^-2煤层房柱式采空区上部自下而上依次存在4^-2上、4^-3煤层需进行上行开采，已有研究成果表明影响上行开采的主要因素为下部煤层采高以及上下煤层间距和层间岩性，因此煤矿上行开采主控条件为4^-3煤层的可行性研究，即只要4^-3煤层上行开采可行则4^-2上煤层一定安全可行，因此主要研究4^-3煤层上行开采可行性。煤矿上行开采可行性研究需解决的主要问题如下：

(1) 5^-2煤层房柱式开采完成后，5^-2煤层留设煤柱及其上覆岩层的稳定性；

(2) 4^-2上、4^-3开采时的采动效应对5^-2煤层煤柱及其上覆岩层的稳定性的影响；

(3) 5^-2煤层留设煤柱失稳破坏时层间岩层失稳破坏对4^-2上、4^-3煤层开采的影响。

针对以上问题主要研究内容如下：

(1) 分析煤矿矿井地质和开采技术条件，在广泛收集类似地质条件、开采方式的基础上，采用宏观定性分析和AHP理论定量评价的综合类比法，研究煤矿采用上行开采技术的可行性；

(2) 采用室内试验的方法，开展5^-2留设煤柱岩石力学特性试验研究，确定某煤矿5^-2煤层留设煤柱的煤岩力学特性，为后续研究奠定基础；

(3) 依据规范要求以及理论分析，针对5^-2煤层房柱式开采的具体参数，建立物理力学模型，对5^-2煤层留设煤柱及层间岩层稳定性进行分析；

(4) 采用数值模拟、相似模拟的方法，综合分析5^-2煤层房柱式开采后上覆岩层应力重新分布特征、卸压范围及岩层移动变形演化过程，评价留设煤柱稳定性；分析4^-2上、4^-3煤层上行开采过程中的卸荷效应对5^-2煤层煤柱以及层间岩层稳定性的影响；分析5^-2煤层房柱式开采后，留设煤柱极端破坏失稳时上覆岩层变形、失稳运移规律，科学评价层间岩层和上部4^-2上、4^-3煤层稳定性；

(5) 在上述工作基础上，科学分析煤矿上下煤层开采的相互作用、相互影响，综合评价上行开采可行性。

一、上行开采工程实例类比分析

通过对地质赋存条件及开采方案相似的上行开采实例进行检索，采用宏观定性分析和理论定量方法进行了类比映射，为综合评价某煤矿上行开采可行性提供工程类比依据：

(1)某煤矿下部5^-2煤层实际采高2.6m，与各案例下部煤采高相近，仅平山四矿、海天煤业、鑫运煤矿、潘集二矿、神木海湾矿采高略小于2.6m；某煤矿4^-3与5^-2煤层层间以中硬的粉砂岩、中粒砂岩、细砂岩为主，而各实例层间岩性基本以中硬岩层为主，仅平顶山四矿、韩家湾煤矿二盘区、潘集二矿、孙疃煤矿及精通兴旺矿为软弱岩层；某煤矿开采时间间隔远大于6个月；某煤矿的采动影响系数为23.46，超过大部分案例的采动影响系数，仅鑫运煤矿、神木海湾矿略大于该值。某煤矿的空间序、功能序结构都较优于大部分案例。

(2)定量类比分析结果显示分值大于78.97的大部分案例均采掘正常。某煤矿总体评分为91.88，在所有大部分案例中位居第2，比最低分平山四矿高出35.46%，定量分析认为煤矿上行开采可正常进行。

(3)定性分析认为某煤矿的系统特征优于大部分案例煤矿系统特征，定量分析显示某煤矿总体评分仅位居第2。

综上所述，工程类比法结果显示：某煤矿上行开采条件优于已完成上行开采的众多煤矿。

二、煤柱及层间岩层稳定性分析

依据规范要求以及理论分析，对某煤矿5^-2煤层煤柱及采空区场地稳定性进行评价。主要包括如下内容：1.通过室内试验获得5^-2煤层煤样力学参数；2.根据中华人民共和国住房与城乡建设部批准颁发《煤矿采空区岩土工程勘察规范》(GB51044-2014)对5^-2煤层当前房柱稳定性进行评价；3.建立 “煤柱-顶板”结构力学模型，考虑4^-3煤层采动影响，分析5^-2煤层煤柱及采空区场地稳定性。

通过对某煤矿5^-2煤层留设煤柱及层间岩层稳定性进行分析，给出了煤柱的安全稳定性系数，层间岩层抗拉强度稳定性系数、抗剪强度稳定性系数，结合煤柱及层间岩层稳定性分析结果，主要结论如下：

(1)将某煤矿5^-2煤层煤岩取芯，制成50mm*100mm标准试样进行室内单轴压缩试验，获得了试样的平均单轴压缩强度为20.84MPa；

(2)依照规范通过煤柱安全稳定性系数评价采空区场地稳定性结果表明：某煤矿5^-2煤层房柱式开采留设煤柱的安全系数为1.44，5^-2采空区场地处于基本稳定状态；

(3)“连续岩梁”结构力学模型，在考虑采动影响条件下，分析结果显示：某煤矿5^-2煤层与4^-3煤层的层间岩层抗拉强度稳定性系数为2.27，抗剪强度稳定性系数为37.5，煤柱安全稳定性系数2.49。表明4^-3煤层采用长壁开采时5^-2煤柱、层间岩层处于安全稳定状态。

三、煤矿上行开采可行性数值模拟分析

某煤矿上行开采采用3DEC离散元软件进行模拟计算。在模拟计算时，首先依据某煤矿5^-2煤层现有开采状态，研究5^-2煤层房柱式开采后留设煤柱的稳定性以及上覆岩层应力重新分布特征及岩层移动变形演化过程；其次对比分析某煤矿4^-2上、4^-3煤层开采推进过程中的卸荷效应对5^-2煤层留设煤柱以及层间岩层稳定性的影响；最后，模拟研究5^-2煤层留设煤柱破坏失稳条件下层间岩层运移破坏形态、4^-3、4^-2上煤层完整性和稳定性，为后续安全高效的上行开采4^-2上、4^-3煤层提供理论依据。

通过对煤矿上行开采可行性数值模拟分析得出以下结论：

(1)5^-2煤层“采6留7”房柱式开采完成后，煤柱及采空区两侧煤壁承担上覆岩层的荷载；煤柱位移较小，采空区上覆岩层位移较大，不同层位呈现自下而上逐渐递减趋势，但影响范围较小，仅出现在煤层上覆岩层10m范围内。煤柱安全系数为1.63，最危险煤柱核心率为73%，为稳定状态。总体而言，煤柱及采场上覆岩层应力和位移量较小且趋势平稳，并且其运移变化都较为和缓，没有出现剧烈矿山压力显现，因此数值模拟结果显示：5^-2煤层房柱式开采后采场整体评价为稳定。

(2)在4^-2上煤层上行开采后，原本作用于层间岩层的上覆岩层荷载转移至4^-2上煤层区段煤柱及未开采煤层，区段煤柱及采空区边界煤壁处应力值增大，层间岩层应力值减小，5^-2煤层留设煤柱应力最大值为11.52MPa，相比4^-2上煤层开采前的12.46MPa降低了7.5%；4^-2上煤层与5^-2煤层之间的层间岩层位移量自上而下逐渐减小，采场边界岩层位移量逐渐增大。4^-2上煤层上行开采的采动效应未对5^-2煤层留设煤柱及层间岩层稳定性产生不利影响影响，反而对其稳定性增强具有一定的帮助。

(3)在4^-3煤层上行开采后，层间岩层所受采动影响与4^-2上煤层基本一致，即随着4^-3煤层工作面的不断推进，由于卸荷效应，顶板岩层不断垮落，致使其上覆岩层失稳破坏，而底板出现底鼓现象，底板下部岩层，即与5^-2煤层之间的层间岩层自上而下整体位移量逐渐变小，并保持稳定，由于上部采空区的影响进一步减小了煤柱所受荷载，采场整体稳定性进一步增强。

(4)在5^-2煤层“采6留7”房柱式开采后，通过削减煤柱，煤柱尺寸不断缩小，导致了应力的重新分布，削减后的煤柱及采空区边界煤壁分担了更多的荷载，在采空区与边界岩层交界处采动效应造成的应力突变效应显著。在煤柱削减过程中，每一阶段煤柱上的应力几乎成倍增加，同时，上覆岩层沉降逐渐增加，尤其在煤柱宽度削减至3m后，5^-2煤层顶板局部区域沉降可达44.6cm，此区域顶板发生垮落，此时上覆岩层不均匀沉降最为显著。

综上所述，某煤矿4^-2上、4^-3煤层上行开采后并未对层间岩层及5^-2煤层留设煤柱稳定性产生不利影响，因此只要5^-2煤层房柱式开采后煤柱具有足够稳定性，则在上行开采后采场整体仍将保持稳定，即数值分析结果显示：某煤矿上行开采可行。

四、煤矿上行开采相似材料模拟实验研究

在5^-2煤层房柱式开采的前提条件下，进行4^-2上、4^-3煤层上行开采可行性研究，实验研究内容如下：

(1)分析5^-2煤层房柱式开采过程中上覆岩层裂隙发育、发展、破坏(或闭合)的形态及其演化规律，并研究5^-2煤层开采完毕后煤柱压力变化规律及其稳定性；

(2)研究4^-2上煤层上行开采时的卸荷效应对5^-2煤层煤柱压力、变形的影响及其演化规律，确定5^-2煤层煤柱及其上覆层间岩层稳定状态；

(3)研究4^-3煤层上行开采时的卸荷效应对5^-2煤层煤柱压力、变形的影响及其演化规律，确定5^-2煤层煤柱及其上覆层间岩层稳定状态；

(4)研究下部5^-2煤层煤柱群失稳垮落时上覆岩层失稳破坏形态、4^-3煤层、4^-2上煤层运移变化规律；

模拟实验所得主要结论如下：

(1)5^-2煤层采用“采6留7”房柱式开采后，煤柱完整性良好，未见片帮现象，采空区顶板岩层稳定，未见冒顶、垮落等现象， 5^-2煤层及4^-3煤层层间岩层稳定，模型表面位移未见明显变化，最大位移为0.0027m，平均位移仅为0.0004m，因此，在5^-2煤层房柱式开采后，采场整体稳定性良好；

(2)4^-2上煤层成功开采后，其下方4^-3、5^-2煤层顶板未出现显著位移，模型表面最大位移分别为0.0002m及0.0001m，5^-2煤层煤柱压力未出现显著变化，且平均压力有变小趋势，煤柱稳定性良好，4^-2上煤层开采未对下方岩层、4^-3煤层及5^-2煤层煤柱稳定性造成不利影响，下方4^-3煤层可以正常开采；

(3)4^-3煤层成功开采后，其下方5^-2煤层顶板未出现显著位移，模型表面最大位移仅为0.0002m，5^-2煤层煤柱压力未出现显著变化，且平均压力有变小趋势，煤柱稳定性良好，4^-3煤层开采未对下方层间岩层及5^-2煤层煤柱稳定性造成不利影响；

(4)5^-2煤层煤柱留设煤柱破坏失稳并坍塌时，上覆岩层发生垮落，垮落带高度23cm，裂隙带高度52cm，垮落拱距96.5cm，4^-2上煤层、4^-3煤层位于5^-2煤层垮落后的裂隙带之上，因而4^-2上煤层、4^-3煤层在5^-2煤层煤柱破坏的情况下依然可进行上行开采。

针对某煤矿5^-2煤层房柱式开采完成后，需上行开采4^-2上、4^-3煤层的工程实际，通过科学类比、理论计算、数值模拟及相似模拟实验相结合的方法，分析了5^-2煤层房柱式开采后留设煤柱稳定性、层间岩层运移规律及4^-2上、4^-3煤层连续性和完整性；研究了4^-2上、4^-3煤层长壁开采过程中层间岩层应力重分布特征、卸压范围及岩层移动变形演化过程，评价了5^-2煤层留设煤柱、层间岩层的稳定性；研究了5^-2煤层煤柱群整体失稳破坏后上覆岩层失稳破坏形态，科学评价了层间岩层以及上部4^-2上、4^-3煤层稳定性和完整性。得到了以下主要结论：

(1)通过宏观定性与理论定量的综合类比分析可知，某煤矿的空间序、功能序结构均优于大部分案例，时间序上某煤矿与部分案例类似；定量类比分析结果显示某煤矿以91.88分在所有课题中位居第2。类比法综合评价认为某煤矿上行开采条件优于其他相似上行开采成功矿井。

(2)煤柱安全稳定性系数F=1.44，根据中华人民共和国住房与城乡建设部批准颁发《煤矿采空区岩土工程勘察规范》(GB51044-2014) 2017年版评价5^-2煤层采空区场地处于基本稳定状态；考虑采动影响的“连续岩梁”结构力学模型分析结果显示：某煤矿5^-2煤层与4^-3煤层的层间岩层抗拉强度稳定性系数为2.27，抗剪强度稳定性系数为37.5，煤柱安全稳定性系数2.49。表明4^-3煤层采用长壁开采时5^-2煤柱、层间岩层处于安全稳定状态。

(3)数值模拟结果显示：某煤矿5^-2煤层房柱式开采后留设煤柱上最大压应力值为12.46MPa，安全稳定性系数为1.63，核区率为73%，处于稳定状态；4^-2上、4^-3上行开采后5^-2煤层留设煤柱最大压应力值分别为11.52MPa、12.54MPa，安全系数分别为1.76、1.62，处于稳定状态。5^-2煤层留设煤柱尺寸削减至3m后，顶板最大沉降量为44.6cm，局部顶板垮落，煤柱垂直应力值达49.9MPa，安全系数为0.4，煤柱发生破坏，层间岩层整体运移形态趋于均匀，4^-2上、4^-3完整性良好。

(4)相似模拟实验结果表明：5^-2煤层“采6留7”房柱式开采后，煤柱完整性良好，采空区顶板岩层未现冒顶、垮落等现象，层间岩层稳定；4^-2上、4^-3煤层分别开采后，下伏层间岩层稳定，5^-2煤层顶板未见显著位移，煤柱稳定性良好，底板压力整体表现为卸压模式；5^-2煤层煤柱失稳垮落后上覆岩层发生大范围垮落，裂隙带位于4^-3煤层之下， 4^-2上煤层、4^-3煤层在5^-2煤层煤柱整体破坏时完整性良好。

(5)类比法、理论分析、相似模拟实验及数值模拟研究结果均表明某煤矿上行开采时5^-2煤层留设煤柱和层间岩层都具有足够的强度和稳定性，不会发生失稳破坏现象，因此某煤矿在5^-2煤层房柱式开采后对4^-2上、4^-3煤层采用上行开采可行。

参考文献：1、《煤矿采空区岩土工程勘察规范》(GB51044-2014)