李壽君，李 哲，郝嘉偉，于 斌

(1.扎賚諾爾煤業(yè)有限責任公司，內(nèi)蒙古 滿洲里 021410；2.山東科技大學能源與礦業(yè)工程學院，山東 青島 266590)

煤層群開采時，一般采用下行順序開采(正常順序開采)，但在某些地質(zhì)條件下，下行開采有明顯缺陷，此時需要采用上行開采，即先將下層煤作為保護層開采，穩(wěn)定后再開采上層煤，有利于礦井煤層群的高產(chǎn)高效開采[1]。蔣金泉等[2]通過數(shù)值計算和相似材料模擬研究了下部煤層開采后的垮落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶，提出了上行開采可行性的評估指標，指出采動影響系數(shù)K的臨界值為5.5。張文杰等[3]對上部煤層的連續(xù)性和破壞程度分析進行了探討，并對工作面平衡結(jié)構(gòu)的兩種類型及引起臺階錯動量的主要因素進行了分析，從理論上確立了在大采高綜采背景下上行開采的條件，并進行了寺河礦大采高綜采上行開采可行性分析，確定了其上行開采的可行性。韓軍等[4]利用多元回歸分析方法，以直接頂初次垮落步距、時間間隔、采動影響系數(shù)為自變量，以上煤層破壞程度為因變量，建立了近距離煤層群上行開采可行性判據(jù)。王明立等[5]為保證刀柱式老采空區(qū)上行長壁開采安全，基于對層間巖體在采動過程中的受力分析，綜合考慮層間巖體的黏聚力、摩擦阻力、采動壓力、巖體自重、刀柱殘余承載力等因素的作用，提出了評價層間巖體穩(wěn)定性的安全系數(shù)法。張金海[6]依據(jù)FLAC軟件數(shù)值計算結(jié)果所提供的界面模型和滑移面模型，確定了上部煤層回采工作面下沉量和下沉盆地形態(tài)，研究解決了上行開采薄煤層問題。張恩強等[7]通過物理材料相似模擬實驗及計算機進行數(shù)值模擬，結(jié)合理論分析得出趙家梁礦可實現(xiàn)上行開采的結(jié)論。郭繼圣等[8]應用理論分析以及UDEC模擬軟件對壽陽縣煤礦15號煤層上覆巖層和工作面回采后頂板破壞區(qū)域進行研究，確定礦井進行上行開采是可行的。馬立強等[9]根據(jù)采動覆巖裂隙發(fā)育規(guī)律，闡釋了近距煤層上行開采機制，分析了上行開采的可行性判別準則。王廣利等[10]利用相似材料模擬方法分析了下部3-2煤層開采對3-3煤層的影響，確定了清河門礦231采區(qū)3-3煤層上行開采的可行性。孫澤東等[11]根據(jù)小回溝煤礦8#煤層和9#煤層特殊地質(zhì)情況，通過采動影響系數(shù)法、“三帶”判斷法、圍巖平衡法論證得出8#煤層可以上行開采，并運用FLAC3D數(shù)值模擬驗證了理論分析的正確性。

目前國內(nèi)外對軟巖礦區(qū)近距離厚煤層群上行開采研究較少，本文首先采用FLAC3D有限元軟件進行模擬，研究在開采Ⅱ2-1煤層完畢，Ⅱ2-1煤層頂板全部破壞穩(wěn)定后，Ⅱ3煤層開挖對Ⅱ2-2煤層底板的影響及Ⅱ2-1煤層受擾動后對Ⅱ2-2煤層頂板的二次影響，最后運用比值判別法和“三帶”判別法對靈東煤礦Ⅱ2-2煤層上行開采可行性進行判定。

1 礦井概況及地質(zhì)條件

靈東煤礦可采煤層7層，主要可采煤層為II2-1煤層、II2-2煤層和II3煤層，其中，Ⅱ2-1煤層可采厚度1.53～19.38 m，平均15.21 m，埋深264.80～471.57 m，平均310.51 m；Ⅱ2-2煤層可采厚度1.56～7.04 m，平均3.37 m，埋深287.97～518.04 m，平均337.66 m；Ⅱ3煤層可采厚度1.55～27.10 m，平均20.67 m，埋深296.14～563.39 m，平均410.15 m。這三煤層頂?shù)装鍘r性以泥巖、粉砂巖、炭質(zhì)泥巖或砂質(zhì)泥巖為主，煤層間距變化較大，均屬穩(wěn)定煤層。

Ⅱ2-1煤層與Ⅱ3煤層工作面近垂直布置，其中Ⅱ2-1煤層工作面采用一次采全高綜合放頂煤采煤法，工作面傾向長度為200 m，走向長度約為965.8 m；Ⅱ3煤層工作面采用預采頂分層放頂煤采煤法，頂分層采用大采高綜采工藝進行開采，采高為5 m，工作面傾向長度為250 m，走向長度約為1 270.5 m。工作面位置圖如圖1所示。

圖1 工作面位置圖

2 上行開采數(shù)值模擬分析

計算機數(shù)值模擬研究采用FLAC3D有限元軟件進行分析，模擬內(nèi)容主要包括Ⅱ2-1煤層和Ⅱ3煤層開采后頂?shù)装逅苄詤^(qū)、應力的發(fā)育狀態(tài)，研究Ⅱ2-1煤層和Ⅱ3煤層開采后對Ⅱ2-2煤層頂?shù)装宓牟蓜佑绊懶?/p>

2.1 模型建立

為了研究Ⅱ3煤層開采后對Ⅱ2-2煤層及其頂?shù)装宓牟蓜佑绊懶?，建立FLAC3D數(shù)值模型，模型尺寸為長×寬×高=350 m×350 m×450 m。由于模型已模擬至地表，故在模型上邊界無須施加垂直應力。模型前后和左右邊界施加水平約束，底部邊界固定，模型采用莫爾-庫倫準則，模型中各巖層力學參數(shù)見表1。

2.2 模擬結(jié)果分析

2.2.1 Ⅱ2-1煤層開挖對Ⅱ2-2煤層頂板的影響

本模型在開采Ⅱ2-1煤層完畢，Ⅱ2-1煤層頂板全部破壞穩(wěn)定后，對Ⅱ3煤層進行開采。首先開挖Ⅱ2-1煤層，模擬完成后對模型作“切片處理”，根據(jù)模型中Ⅱ2-1煤層底板塑性區(qū)分布及Ⅱ2-2煤層應力分布情況，研究開采Ⅱ2-1煤層對Ⅱ2-2煤層頂板穩(wěn)定性的影響。

表1 各巖層力學參數(shù)表

如圖2所示，Ⅱ2-1煤層開采后，頂板破壞高度為88 m，底板破壞深度為10 m，未對Ⅱ2-2煤層造成采動影響。由圖3可知，在Ⅱ2-1煤層采空后，在Ⅱ2-1煤層工作面兩側(cè)煤柱邊緣會形成應力集中區(qū)，影響Ⅱ2-2煤層的安全開采。因此，Ⅱ2-2煤層回采時應避開Ⅱ2-1煤層煤柱邊緣形成的應力集中區(qū)，避免在Ⅱ2-2煤層工作面開采過程中發(fā)生直接頂漏冒現(xiàn)象，加強Ⅱ2-2煤層工作面的頂板控制管理。

2.2.2 Ⅱ3煤層開挖對Ⅱ2-2煤層頂?shù)装宓挠绊?/p>

圖2 Ⅱ2-1煤層開采后頂?shù)装逅苄詤^(qū)圖

圖3 Ⅱ2-1煤層開采后頂?shù)装鍛υ茍D

為研究Ⅱ3煤層開挖對Ⅱ2-2煤層底板的影響及Ⅱ2-1煤層受擾動后對Ⅱ2-2煤層頂板的二次影響，分別按照Ⅱ3煤層工作面推進25 m、50 m、75 m、125 m、150 m、200 m時的情況進行模擬，對不同推進步距下的模型作“切片處理”。Ⅱ3煤層開挖過程中Ⅱ2-1煤層和Ⅱ3煤層頂?shù)装逅苄詤^(qū)分布如圖4所示，頂?shù)装宕怪睉Ψ植既鐖D5所示。

當Ⅱ3煤層工作面推進到25～50 m時，上覆采空區(qū)應力分布受采動影響變化并不明顯，且Ⅱ3煤層推進后出現(xiàn)的擾動應力對Ⅱ2-2煤層的影響不大。Ⅱ3煤層工作面頂板受采動影響破壞高度不斷增大，Ⅱ2-1煤層底板受采動影響不明顯，破壞深度沒有增加。當Ⅱ3煤層工作面推進到75～125 m時，上覆采空區(qū)煤壁兩側(cè)應力分布受采動影響變化不大，對下方Ⅱ2-2煤層頂板影響不明顯，Ⅱ3煤層推進后左側(cè)煤柱邊緣出現(xiàn)的應力集中對Ⅱ2-2煤層底板的影響較大。Ⅱ3煤層頂板受采動影響破壞高度不斷增大，Ⅱ2-1煤層底板破壞深度也有所增加，此時底板破壞深度為15 m。當Ⅱ3煤層工作面推進到150 m以上時，上覆采空區(qū)煤壁兩側(cè)應力分布對Ⅱ2-2煤層頂板影響較小，而Ⅱ3煤層推進后左側(cè)煤柱邊緣出現(xiàn)的應力集中對Ⅱ2-2煤層頂?shù)装宓挠绊懨黠@增大。Ⅱ3煤層工作面頂板破壞高度達到最大，破壞高度為41.5 m，Ⅱ2-1煤層底板破壞深度也增大到20 m，對Ⅱ2-2煤層無直接破壞影響。Ⅱ2-1煤層與Ⅱ3煤層工作面兩側(cè)煤柱產(chǎn)生的應力集中區(qū)對Ⅱ2-2煤層的安全生產(chǎn)有一定程度上的影響。

圖4 塑性區(qū)分布圖

圖5 應力分布云圖

3 Ⅱ2-2煤層上行開采可行性分析

3.1 上行開采可行性判別方法

我國常用上行開采可行性分析方法主要有比值判別法和“三帶”判別法，下面對兩種方法進行詳細介紹。

3.1.1 比值判別法

兩個煤層上行開采的比值判別法如圖6所示，上下煤層層間距H與下位煤層采厚M2的比值K可按式(1)計算。

(1)

式中：K為上下煤層層間距與下位煤層采厚的比值；H為上下煤層層間距，m；M2為下位m2煤層采厚，m。

圖6 兩個煤層上行開采的比值判別法

根據(jù)我國垮落上行開采的實踐和研究表明，當滿足下列條件時，先采下位煤層，在上位煤層中可以進行正常采掘活動。當上下煤層之間的巖性為堅硬巖層時，K>8；當上下巖層間的巖性為中硬巖層時，K>7.5；當上下煤層間巖性為軟弱巖層時，K>7。由此可對上行開采的可行程度做出判別、對上行開采效果做出預測、對礦區(qū)進行上行開采的區(qū)域劃分，為采掘部署及開采設計提供決策依據(jù)。

3.1.2 “三帶”判別法

“三帶”判別法是一種常用的上行開采判別方法?！叭龓А迸袆e法的主要依據(jù)是：當下部煤層開采后，如果上部煤層處于冒落帶范圍內(nèi)時，下部煤層的開采會對上部煤層的整體性和完整性造成很大的破壞，則不能采用上行開采；如果上部煤層位于裂隙帶范圍內(nèi)時，則上部煤層可在下部煤層開采后采取一定措施進行回采；如果上部煤層位于裂隙帶范圍以上時，則可以進行上行開采。

厚煤層綜放開采時，放煤高度以上的煤層也在垮落帶范圍內(nèi)，垮落帶高度應以此開始計算。結(jié)合綜放工作面煤層的采放有效厚度的概念，將有效厚度以上的煤層作為煤頂處理，采放有效厚度作為“真正”的采煤厚度，則垮落帶計算公式為式(2)。

(2)

式中：Mn為采放有效厚度；Ф為采放有效厚度的回采率，一般取0.75～0.95；Kk為煤巖綜合碎脹系數(shù)，一般取1.2～1.4。

3.2 Ⅱ2-2煤層上行開采可行性判定

由地質(zhì)資料可知，Ⅱ2-2煤層可采區(qū)域下部的Ⅱ3煤層，賦存厚度及其與Ⅱ2-2煤層的層間距變化范圍較大，而下煤層采高和兩層煤間距是影響上行開采的決定因素。因此，采用比值判別法和“三帶”判別法，對下層煤不同厚度時所需最小層間距進行計算，兩種判別方法獲得的層間距結(jié)果有一定差異，從安全角度考慮，以兩者中的較大值作為最終判定結(jié)果且兩種方法判定結(jié)果均為可以上行開采時，該位置才判定為可以上行開采，否則，判定為不可上行開采。判定結(jié)果見表2。

由表2可知，23-24勘查線、24-25勘查線、25-26勘查線、26-27勘查線、27-28勘查線、30勘查線和32勘查線揭露Ⅱ2-2煤層的可采區(qū)域，均滿足上行開采要求，可以進行上行開采；19-20勘查線77-5鉆孔和77-6鉆孔、21勘查線77-16鉆孔與89-1鉆孔和22勘查線77-27鉆孔附近的層間距滿足最小層間距要求，但應采取措施(如充填開采)才可以實行上行開采。

綜上所述，Ⅱ2-2煤層可以上行開采。如圖7所示，對于上行開采區(qū)域，Ⅱ3煤層開采過程中需采取一定的技術(shù)措施，減小對Ⅱ2-2煤層采動影響。

表2 下煤層不同厚度時可以上行開采的層間距范圍

續(xù)表2

圖7 Ⅱ2-2煤層上行開采區(qū)域劃分

4 結(jié) 論

1) 當Ⅱ3煤層工作面未推進到150 m時，隨著Ⅱ3煤層工作面的不斷推進，Ⅱ3煤層頂板破壞高度不斷增大，Ⅱ2-1煤層底板破壞深度也有所增加，在Ⅱ3煤層推進后工作面左側(cè)煤柱邊緣出現(xiàn)的應力集中對Ⅱ2-2煤層的影響不大，上覆采空區(qū)煤壁兩側(cè)應力分布受采動影響變化不大，對下方Ⅱ2-2煤層頂板影響不明顯。

2) 當Ⅱ3煤層工作面推進到150 m以上，頂板破壞高度達到最大，破壞高度為41.5 m，Ⅱ2-1煤層底板破壞深度也增大到20 m，對Ⅱ2-2煤層無直接破壞影響。Ⅱ2-1煤層與Ⅱ3煤層工作面兩側(cè)煤柱產(chǎn)生的應力集中區(qū)對Ⅱ2-2煤層的安全生產(chǎn)有一定程度上的影響。

3) 通過比值判別法和“三帶”判別法對靈東煤礦軟巖厚煤層Ⅱ2-2煤層上行開采的可行性進行了判定，由綜合判定結(jié)果可知Ⅱ3煤層開采后，Ⅱ3煤層與Ⅱ2-2煤層的層間距能滿足Ⅱ2-2煤層上行開采的要求。