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尤 亚
(山西华润联盛能源投资有限公司，山西省吕梁市，033000)
摘 要 以南山煤矿地质与开采技术条件为工程背景，基于比值判别法和“三带”判别法，结合UDEC数值模拟方法，分析了南山煤矿6#、10#煤层联合开采对上覆3#、5#煤层结构的影响。结果表明，6#、10#煤层联合开采对3#、5#煤层的采动影响倍数分别为12.4～16.2、7.6～10.2；覆岩中L1石灰岩、L5石灰岩、K2石灰岩与K3粗砂岩有效控制了6#、10#煤层采动影响，抑制了裂隙发育；3#、5#煤层均位于6#、10#煤层采动裂隙带上方，结构连续性好，可直接进行上行开采。
关键词 近距离煤层群 上行开采 比值判别法 “三带”判别法
一般情况下，大多数矿井采用下行开采方式开采煤层群；而在特定的地质和开采技术条件下，正常顺序开采产量的增加和建设速度受到了限制，采用上行开采方式有利于保证矿井稳产高产、短期内提高矿井经济效益，具有显著的经济和社会效益。由于下煤层开采后，原岩应力状态被打破，在采动影响的作用下，上煤层将发生不同程度变形与破坏，影响上行开采的安全进行，给生产带来一定困难。因此，研究近距离煤层群上行开采覆岩变形特征、分析下煤层开采活动对上煤层的影响作用，对上行开采可行性判定具有理论指导意义。
本文以南山煤矿近距离煤层群地质开采条件为工程背景，采用理论分析和数值模拟手段，分析上行开采过程中采场覆岩和上部煤层变形破坏特征，并以此分析南山煤矿上行开采的可行性，研究结果将为类似矿井提供依据和借鉴。
南山煤矿位于河东煤田中段，井田面积18.16 km2，生产规模为1.2 Mt/a。井田大致为一宽缓向斜构造，井田内可采煤层4层，自上而下依次为3#、5#、6#、10#煤层，煤层倾角5°～7°，各可采煤层及其顶底板条件见表1。
鉴于3#、5#、6#煤层厚度小，10#煤层厚度大的特点，现场提出先期开采6#和10#煤层、后期开采3#和5#煤层的上行开采顺序。由于各可采煤层厚度变化范围较大，需进一步明确研究范围内各煤层赋存特征。结合矿井整合前后各煤层开采情况及储量分布特征，确定了重点开采范围，并以煤层厚度与煤层间距厚度为指标，进行开采范围区域划分，如图1所示。各开采区域内可采煤层赋存特征见表2。
图1 南山煤矿重点开采范围区域划分
表1 井田范围内可采煤层特征
煤层平均厚度/m平均层间距/m稳定性可采性顶、底板物理力学特性3#1.175#0.976#0.8410#5.3226.9324.1341.85稳定大部分可采顶板:泥岩,抗压强度平均45.20 MPa,抗拉强度平均1.80 MPa,为较坚硬岩底板:泥岩,抗压强度平均20.60 MPa,抗拉强度平均1.10 MPa,为较软岩稳定大部分可采顶板:泥岩,抗压强度平均18.20 MPa,抗拉强度平均0.98 MPa,为较软岩底板:泥岩,抗压强度平均15.50 MPa,抗拉强度平均0.59 MPa,为较软岩稳定大部分可采顶板:泥岩,抗压强度平均19.0 MPa,抗拉强度平均1.02 MPa,为较软岩底板:砂岩,抗压强度平均12.30 MPa,抗拉强度平均0.42 MPa,为软岩稳定全区可采顶板:泥岩,抗压强度平均16.20 MPa,抗拉强度平均1.30 MPa,为较软岩底板:泥岩,抗压强度平均45.00 MPa,抗拉强度平均1.60 MPa,为较坚硬岩
表2 各开采区域内可采煤层赋存特征
开采区域煤层赋存特征煤层厚度/m3#5#6#10#煤层间距/m3#～5#5#～6#6#～10#Ⅰ1.4～1.61.1～1.20.9～15.5～5.624～2820～2440～44Ⅱ1.2～1.50.9～1.10.9～15.2～5.522～2624～2643～46
开采范围内拟采用综合机械化一次采全高采煤方法，全部垮落法管理顶板。
根据南山煤矿3#、5#、6#和10#煤层之间的赋存特征，采用比值判别法和“三带”判别法进行上行开采可行性评估，分析6#、10#煤层联合开采后对3#、5#煤层的影响。
比值判别法认为，上行开采是否可行主要取决于上下两层煤之间的层间距与下部所采煤层的厚度之比，即采动影响倍数K。我国煤矿上行开采的实践结果证明，在下部开采多个煤层的情况下：当上、下煤层之间为坚硬岩层时，K≥6.3；为中硬岩层时，K=6.0；为软弱岩层时，K≥5.5。
由于不同区域内可采煤层厚度、煤层间距厚度均不相同，借助sufer软件，可得到整个井田内采动影响倍数K分布图，如图2所示。
由图2可以看出，在开采区域Ⅰ范围内，6#、10#煤层对3#煤层采动影响倍数K为12.4～14.2，6#、10#煤层对5#煤层采动影响倍数K为7.6～9.4；在开采区域Ⅱ范围内，6#、10#煤层对3#煤层采动影响倍数K为12.6～16.2，6#、10#煤层对5#煤层采动影响倍数K为8.0～10.2。
图2 南山煤矿下煤层采动影响倍数分布图
由此判定，6#、10#煤层开采活动对3#、5#煤层影响程度较小，3#、5#煤层均可进行上行开采。
“三带”判别法认为，当上煤层位于下煤层垮落带范围之内时，上煤层结构破坏严重，不可进行上行开采；当上煤层位于下煤层垮落带之上、裂隙带之下时，上煤层结构为发生较大破坏，采取一定技术措施后可进行上行开采；当上煤层位于下煤层裂隙带范围之上时，上煤层基本未发生破坏，可直接进行上行开采。由于南山煤矿各煤层间岩层强度低，6#、10#煤层开采形成的垮落带、裂隙带高度采用如下公式计算：
或者
(3)
式中：Hk——垮落带高度，m；
Hd——裂隙带高度，m；
∑M——累计采厚，其中单层采厚1～3 m，累计采厚不超过15 m。
代入相关参数，计算可得：在开采区域Ⅰ范围内，6#煤层顶板垮落带高度Hk=0.89～4.12 m，裂隙带高度Hd=7.55～16.53 m，10#煤层顶板垮落带高度Hk=6.82～9.89 m，裂隙带高度Hd=20.94～29.04 m；在开采区域Ⅱ范围内，6#煤层顶板垮落带高度Hk=0.89～4.12 m，裂隙带高度Hd=7.55～16.53 m；10#煤层顶板垮落带高度Hk=6.59～9.82 m，裂隙带高度Hd=20.62～28.94 m。
将垮落带高度和裂隙带高度计算结果与煤层间距作对比可知，在各开采区域内，3#煤层和5#煤层均处于下煤层顶板裂隙带之上，受下煤层开采活动的影响程度较小。
根据现场条件，采用数值模拟手段分析下煤层6#、10#煤层联合开采后覆岩变形及对3#、5#煤层的影响。
模拟采用UDEC数值软件，根据图1和表2中的重点开采范围分区情况，基于M-C准则，建立两个模型进行分析，各模型的相关数见表3。
各模型两侧各留100 m作保护煤柱，实际开采尺寸为400 m；在3#煤层与5#煤层各设置了1条监测线，每隔10 m布置1个测点，每个模型中各布置120个测点；考虑到模型尺寸，模拟6#煤层、10#煤层联合开采，其中6#煤层工作面超前10#煤层工作面50 m。综合考虑地表起伏状况，模型的整体情况如图3所示。
表3 数值计算模型参数 /m
图3 南山煤矿上行开采数值模型图
3.2.1 下煤层开采后覆岩垮落与围岩变形
下煤层6#、10#煤层开挖后，覆岩垮落与裂隙分布情况如图4所示。
图4 南山煤矿下煤层开采后覆岩垮落与裂隙分布
由图4可知，在开采区域Ⅰ范围内，6#煤层顶板岩层垮落高度为5.11 m，裂隙发育高度为11.81 m，10#煤层顶板岩层垮落高度为12.34 m，裂隙发育高度为27.26 m；在开采区域Ⅱ范围内，6#煤层顶板岩层垮落高度为5.42 m，裂隙发育高度为12.33 m，10#煤层顶板岩层垮落高度为11.82 m，裂隙发育高度为26.48 m；3#、5#煤层均位于下煤层6#、10#煤层联合开采形成的裂隙带范围之上。
两模型中6#煤层、10#煤层垮落带、裂隙带范围与顶板岩层关系位置如图5所示。
图5 6#、10#煤层顶板垮落带、裂隙带位置图
由图5可知，在开采区域内，6#煤层顶板岩层垮落带分布于L5石灰岩下部，裂隙带发育至K3粗砂岩中下部停止；10#煤层顶板岩层垮落带分布于L1石灰岩下部，裂隙带发育至K2石灰岩中下部停止。结合图4的模拟结果可知，随着开采活动的进行，L1石灰岩、K2石灰岩、L5石灰岩、K3粗砂岩的破断程度小，这4层承载了上覆岩层的大部分压力，上覆岩层未发生大面积垮落，整体以弯曲变形为主；L1石灰岩、L5石灰岩控制了顶板垮落带的范围，K2石灰岩、K3粗砂岩则抑制了覆岩裂隙发育，对3#、5#煤层实现上行开采起到了关键控制作用。
3.2.2 下煤层开采后3#、5#煤层位移与结构变形
统计两模型6#、10#煤层开挖后，3#、5#煤层垂直位移与倾斜值，如图6所示。
图6 下煤层采后3#、5#煤层的变形特征
由图6可知，6#、10#煤层联合开采后，模型Ⅰ、模型Ⅱ中3#煤层最大下沉值分别为1.51 m、1.42 m，5#煤层最大下沉值分别为1.88 m、1.69 m，两煤层下沉峰值主要集中模型中部；3#煤层在下煤层切眼处和停采线处区域内的倾斜值波动大，模型Ⅰ、模型Ⅱ中最大倾斜值分别为27.32 mm/m、26.42 mm/m； 5#煤层倾斜值波动程度大的范围也集中在下煤层切眼处和停采线处，模型Ⅰ、模型Ⅱ中最大倾斜值分别为37.84 mm/m、35.16 mm/m。
考虑到下煤层切眼处和停采线处3#、5#煤层下沉位移变化较大，移动变形严重，应进一步考虑煤层结构上的连续性。
煤层的切眼处和停采线处3#煤层与5#煤层的结构形态模拟结果示意图如图7所示。
由图7可知，在下煤层切眼处，两模型中3#煤层结构出现小幅度弯曲，5#煤层结构未出现断裂、台阶下沉等现象，结构连续性好；在下煤层停采线处，两模型中3#、5#煤层结构形态与切眼处，3#煤层结构小幅度弯曲，5#煤层结构弯曲明显，也均未出现结构断裂、台阶下沉等现象，结构上也均保持较好连续性。
图7 下煤层采后3#、5#煤层结构形态
综上分析，南山煤矿下煤层6#、10#煤层联合开采后，采用上行开采方式开采3#、5#煤层具有可行性，但需采用相关安全技术措施，以保证矿井安全高效生产。
本文以南山煤矿地质条件为研究背景，采用理论分析和数值模拟手段，对该矿井近距离煤层群上行开采可行性进行了研究，得到以下结论：
(1)比值判别法和“三带”判别法计算认为：6#、10#煤层联合开采对3#、5#煤层的采动影响倍数分别为12.4～16.2、7.6～10.2，3#、5#煤层均位于6#、10#煤层采动裂隙带之上，可直接进行上行开采。
(2)数值模拟结果表明，6#、10#煤层顶板中的L1石灰岩、K2石灰岩、L5石灰岩、K3粗砂岩有效控制了两煤层采动影响，抑制了裂隙发育，6#煤层顶板中裂隙发育高度约为12.34 m，未波及3#、5#煤层；下煤层开采结束后，3#、5#煤层结构连续性好，未出现断裂、台阶下沉等现象，两煤层最大下沉值分别为1.42～1.51 m、1.69～1.88 m，最大倾斜值分别为26.42～27.32 mm/m、35.16～37.84 mm/m。
(3)综合理论分析和数值计算结果，南山煤矿下煤层6#、10#煤层联合开采后，3#、5#煤层均可直接进行上行开采。
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You Ya
(Shanxi Huarun Liansheng Energy Investment Co., Ltd., Lvliang, Shanxi 033000, China)
Abstract Taking the geological conditions and mining techniques of Nanshan Mines as the engineering background, which based on the ratio discriminatory method and "three zones" criterion method, and combined with UDEC numerical simulation method, the influence on the overlying strata and the structure of No. 3 and No. 5 coal seams after exploiting No. 6 and No. 10 coal seams in Nanshan Mine was analyzed. The results showed that the mining-induced influenced coefficients of No. 3 and No. 5 coal seams after exploiting No. 6 and No. 10 coal seams were 12.4～16.2 and 7.6～10.2; the L1 limestone, L5 limestone, K2 limestone and K3 gritstone effectively control the impact of mining activities and the development of roof fissures; No. 3 and No. 5 coal seams were located above the mining fissure zone of No. 6 and No. 10 coal seams, and had good structure continuity, which could be directly used for upward mining.
Key words coal seam group with short distance, upward mining, ratio discriminatory method, "three zones" criterion method
中图分类号 TD326
文献标识码 A
引用格式：尤亚. 南山煤矿近距离煤层群上行开采可行性研究[J]. 中国煤炭，2018,44(9)：58-63.
作者简介：尤亚(1971-)，男，江苏睢宁人，高级工程师，现任山西华润联盛能源投资有限公司技术总监，主要研究方向为采煤方法、矿山压力与控制。