关键词：上行开采；煤层间距；可行性；煤壁
1引言
随着采空区上方遗弃煤层的增加以及地质和开采条件的影响，上行开采将被运用于越来越多的煤矿当中。很多矿区都存在上部煤层未开采而先行开采下部煤层的情况，由此导致上部留有较多的煤炭资源，上行开采为回采这些煤层提供了途径。基于煤矿首采区煤层赋存条件和开采现状，分析3下煤层开采之后煤壁前方及煤壁位置3上煤层的运动变化规律；希望达到为煤矿首采区3下煤层已采区域上覆3上煤层的上行开采提供合理依据的目的。
2 工程概况
煤矿3煤层位于井田中部，分叉成上、下两煤层(3 上、3 下)，3上煤层可采范围内煤层厚度0.71～3.85m，平均1.59m，距3下煤层0.78～27.29m，平均 13.27m，平均倾角大于10°。煤层顶板以中、细砂岩为主，厚2.77～19.02m；煤层底板以粉砂岩为主，厚0.78～10.90m；3下煤层厚度0.73～5.31m，平均3.47m，平均倾角-12°，煤层顶板以中、细砂岩为主，厚1.44～17.79m，煤层底板主要为泥岩、炭质泥岩，厚0.72～6.19m。因地质勘探不详、开采技术条件等原因，导致了3下煤层开采一定程度后，才发现上部遗留了储量可观的3上煤层。为了平衡生产、提高生产效率和经济效益，需要对煤矿首采区3下煤层已采区域上覆3上煤层实行上行开采。
3 上行开采可行性理论分析
3.1上行开采机理
上行开采破坏了采场上覆煤岩层的原始应力平衡状态，必然引起上覆煤岩层的横向及纵向变形与破坏。纵向剪切变形是影响上行开采的最大障碍。而能否上行开采的关键取决于上部煤层的直接底板在下部煤层开采、上部煤层开采共同影响作用下的运移状态，若其始终不失连续性与整体性，则上部煤层可以上行开采；若其已经破断并且不再连续，则只有其台阶错动量小于一定数值时，才能上行开采，反之不能上行开采。
3.2“三带”判别法
下部煤层开采后，其上部顶板也随之发生垮落、断裂和弯曲下沉，即“三带”式变化。上部煤层受下部煤层采动影响如图1所示，图中，γ为采动影响角，ψ为充分采动角。由采场上覆岩层移动规律可知：上覆煤层移动盆地的中部为均匀下沉，而移动盆地的边缘部分的煤层内应力应变最大。
通过大量现场实测研究，一般岩层条件下断裂带高度Hm与采高M的关系为
.png)
(1)
即断裂带高度为采高的2倍左右。
式中，SA为岩层弯曲时的实际沉降值，可以用采高表示，其中KS为比例系数；KA为岩梁触矸处已冒岩层碎胀系数，一般取1.25~1.35。
对于缓斜煤层，当煤层顶板覆岩内为坚硬、中硬、软弱、极软弱岩层或其互层时，垮落带最大高度Hm和裂隙带最大高度Hi可按公式计算。再结合煤矿首采区3上和3下煤层的赋存条件，选取相应的“三带”经验公式分别计算3下煤层开采后的垮落带高度Hm和断裂带高度Hi：
(2).png)
(3)
式中，∑M为下部煤层累计采高，m。
3下煤层采高为3.5m，(2)式得出的断裂带高度范围与(1)式相符。由于3上与3下煤层间距是变化的，当层间距在12.07m以下时，3上煤层处于垮落带内，煤层整体性破坏严重，无法进行上行开采；当层间距为12.07m~27.29m时，3上煤层处于断裂带内，煤层整体性只发生中等程度破坏，采取一定安全措施后，可正常进行上行开采。
3.3比值判别法
比值分析法是通过建立上下煤层的层间距与下部煤层厚度的之间比值K(采动影响倍数)来衡量上下两煤层的相互影响关系。郭屯煤矿首采区下部开采一个煤层，则
(4).png)
式中，H为两煤层之间的距离(层间距)，m；M为下煤层采高，m。
根据上行开采的实践及研究成果证明，采动影响倍数K>5.5时，可正常进行上行开采。煤矿3下煤层采高为3.5m，按(3)式可得出正常进行上行开采的层间距最小值为19.25m，即3上煤层与3下煤层间距为19.25~27.29m时可正常进行上行开采，反之则无法进行上行开采。
3.4围岩平衡法
上行开采需要考虑围岩平衡，平衡岩层应该处于断裂带下位岩层之上。煤矿首采区上行开采所需要的层间距可表示为
(5).png)
式中，K1为岩石碎胀系数；h为平衡岩层本身厚度。K1、h根据实测数据取得。
平衡围岩法得出的上行开采所需的层间距为14.67m，即3上煤层与3下煤层间距小于14.67m时，3上煤层整体性破坏严重，无法进行上行开采；反之，3上煤层可正常进行上行开采。
4. 结论
通过“三带”判别公式得到3下煤层开采后，其垮落带高度为7.69~12.07m，裂隙带高度为47.41m，3上煤层在层间距大于12m时才能进行上行开采；由比值判别公式反推出3上煤层可进行上行开采的层间距为19.25m；围岩平衡法得出3上煤层可正常进行上行开采的安全间距约为15m；由数理统计公式得出3上煤层进行上行开采所必须的层间距为19.705m。
参考文献
[1] 汪理全. 煤层群上行开采技术及应用[J]. 21 世纪高效集约化矿井学术研讨会论文集, 2001.
[2] 马立强, 汪理全, 张东升等. 近距离煤层群上行开采可行性研究与工程应用[J]. 湖南科技大学学报 (自然科学版), 200
论文作者:孟凡超,郑义宁
论文发表刊物:《工程管理前沿》2020年第2期
论文发表时间:2020/4/22
标签：煤层论文; 间距论文; 采区论文; 岩层论文; 煤矿论文; 高度论文; 围岩论文; 《工程管理前沿》2020年第2期论文;