岳军文刘义新李 峰高 凯

（1.河南能源化工集团新疆投资控股有限公司，新疆维吾尔自治区乌鲁木齐市，830026；2.煤炭科学技术研究院有限公司安全分院，北京市朝阳区，100013；3.新疆龟兹矿业有限公司，新疆维吾尔自治区阿克苏地区，842000）

近距离煤层坚硬顶板上行开采可行性论证与实践*

岳军文1刘义新2李 峰3高 凯3

（1.河南能源化工集团新疆投资控股有限公司，新疆维吾尔自治区乌鲁木齐市，830026；2.煤炭科学技术研究院有限公司安全分院，北京市朝阳区，100013；3.新疆龟兹矿业有限公司，新疆维吾尔自治区阿克苏地区，842000）

鉴于上行开采影响因素复杂，根据新疆龟兹矿业西井近距离煤层坚硬顶板等具体地质采矿条件，首先基于传统的比值判别法、“三带”判别法、数理统计法和围岩平衡法的初步判别，再进一步通过井下探测、相似模拟和数值模拟及工程类比等方法，论证了上行开采的可行性。结果表明：尽管上下煤层层间距近，不能满足比值判别法中采动影响倍数的要求，但鉴于层间坚硬岩层的控制作用，该矿上行开采是可行的。现场开采实践证实了上行开采也是可行的。

煤炭开采 上行开采 近距离煤层 坚硬层间岩层 可行性研究

新疆龟兹矿业有限公司作为河南能化集团新疆公司的主力矿井，下设东、西两个矿井。西井在开采初期先主采A6煤层，目前急需上行开采上部约17.1 m处的A6-1煤层，计划在A603工作面已采空区域上方A6-1煤层中布置A6-103综放工作面进行上行开采。在A603工作面开采过程中，揭露的顶板完整性好，开采过程中较难垮落，属坚硬完整难冒顶板。在近距离煤层、坚硬顶板双重因素影响下，客观上对上行开采提出了更高的要求。为实现A6-1煤层安全上行开采，最大限度安全回收煤炭资源，采前需要进行近距离煤层坚硬顶板条件下上行开采可行性论证与应用研究。

1　上行开采区地质采矿条件概况

A6-1煤层与A6煤层间距为14.9～19.1 m，平均间距为17.1 m。上行开采区为A6-1煤层的A6-103工作面。A6-103工作面是A6-1煤层中的第3个采煤工作面，东邻A6-101工作面采空区，西至井田边界保护煤柱，南部为A6-102工作面采空区，北邻A6-100设计工作面，下部存在A603工作面里端采空区。A603工作面里端采空区长约920 m，斜长155 m，平均采厚3 m，采煤方法为综采，全部垮落法管理顶板，开采时间为2011年9月-2012年5月。

区域内出露的地层由老至新分别为侏罗系下统塔里奇克组，第四系上更新统-全新统及冲、洪积层和风积崩积层。其中，第四系地层厚度约0.5～5 m，岩性主要为砂土、砾石、亚砂土、粘土与碎石等。地面标高+1935 m，工作面标高+1720～+1775 m，工作面地表是层峦的天山山脉。

区域内含煤地层为侏罗系下统塔里奇克组下段，A6-1煤层平均厚度约5 m，煤层结构简单，属稳定煤层。煤层倾角3°～25°，平均倾角10°。A6-1煤层直接顶主要为炭质泥岩、含泥中砂岩，老顶为中砂岩、粗砂岩，底板为中砂岩。

区域内主要充水水源为煤层顶板砂岩裂隙水，以淋、滴水形式补给工作面，下部A6煤层回采过程中已对顶板水进行了疏放，顶板含水层富水性弱，补给条件差，水文条件简单。区域内未发现明显的断裂构造，为一宽缓向斜构造，属构造简单类型。

A6-103工作面呈东西走向，长约1160 m，斜长157 m，采用长壁式综放开采，采煤机割底煤高度为2.8 m，放煤高度为2.2 m，全部垮落法管理顶板。A6-103工作面可采储量约101万t，服务年限约13个月。

2　上行开采可行性论证

判断能否进行上行开采的关键是下煤层开采后对上煤层的破坏和影响程度，主要取决于上下煤层层间距、层间岩性及结构、下煤层的采煤方法及采净程度以及上下煤层开采时间间隔等。国内外已积累了许多判定上行开采可行性的研究方法和实践经验，目前国内普遍采用比值法、“三带”判别法等传统方法进行论证。但因上行开采的影响因素众多，很难得出某个（些）因素与上行开采可行性之间的定量关系，更多时候还需进一步论证上行开采可行性。针对龟兹矿西井上行开采区具体的地质采矿条件，基于上行开采可行性的传统分析方法，通过井下探测、相似模拟和数值模拟相结合以及工程类比等多种方法进行上行开采可行性的综合分析。

2.1传统方法论证

上行开采可行性论证和判别方法主要有比值判别法、三带判别法、围岩平衡法、数理统计法等传统方法和经验公式，同时要满足时间间隔要求。

2.1.1比值判别法

受下部单一煤层采动影响时，定义上下煤层层间距与下煤层采厚的比值为采动影响倍数K。龟兹矿A6-103工作面所属A6-1煤层与A6煤层间距14.9～19.1 m，平均间距为17.1 m，A6煤层的开采厚度3 m，根据采支影响倍数定义，采动影响倍数为4.4～6.4，平均5.7，而坚硬顶板条件下满足上行开采的采动影响倍数需达到8，因此，上行开采不能正常进行。

2.1.2三带判别法

三带判别法的基本观点为上煤层处于下煤层开采引起的三带中位置不同，破坏程度不同，可采性不一样。上煤层位于垮落带之内时会遭到严重破坏，无法上行开采；上煤层位于裂缝带之内时会发生中等程度破坏，采取一定安全技术措施可以开采；上煤层位于弯曲带内时只产生整体移动，结构不受破坏，可以正常开采。可见，三带判别法关键是计算下煤层开采引起的三带高度。对于缓斜和倾斜煤层，当煤层顶板覆岩为坚硬、中硬、软弱、极软弱岩层或互层时，垮落带和裂缝带最大高度Hm和Hli可按 《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设及压煤开采规程》中给出的预测公式计算。如果煤层顶板覆岩内有极坚硬岩层，采后能形成悬顶时，垮落带Hm最大高度计算式：

式中：Hm——垮落带最大高度，m；

M——下煤层采厚，取3.0 m；

Kp——岩石碎胀系数，取2；

α——煤层倾角，取10°。

龟兹矿上行开采区附近钻孔揭露A6-1煤层与A6煤层间岩层主要为中砂岩、粗砂岩和砾岩，含少量泥岩，以中砂岩为主，约占层间岩层厚度的76%～80%，且煤岩试验测定中砂岩的单轴抗压强度为67.5～105.6 MPa，平均单轴抗压强度为91.1 MPa，为极坚硬性岩性，采后能形成悬顶。A6煤层采厚3 m，岩石碎胀系数2，代入式（1）计算得垮落带最大高度为3 m。而A6-1煤层与A6煤层间距大于垮落带高度3 m，可见，A6-1煤层处于A603工作面开采引起的裂缝带之内或弯曲带内，A6-1煤层的结构只发生中等程度破坏或弯曲下沉，故A6-1煤层采取一定措施可以正常进行上行开采。

2.1.3围岩平衡法

围岩平衡法的基本观点是将采动覆岩破坏在垂直方向上的垮落带、裂缝带及弯曲下沉带可相应地定义为非平衡带（即垮落带）、部分平衡带（相当于裂缝带的下位岩层）、平衡带（相当于裂缝带的上位岩层）。平衡带内岩层形成以工作面煤壁及上覆岩层-矸石为支撑体系的岩层结构，该结构内通常不发生台阶错动。上行开采中，将不发生台阶错动岩层结构称为平衡岩层。从下煤层顶板至平衡岩层顶面的高度叫围岩平衡高度。因此，当上煤层位于距下煤层最近的平衡岩层之上时，即可上行开采。围岩平衡岩层高度计算式：

式中：Hp——围岩平衡岩层高度，m；

hp——平衡岩层本身的厚度，取8.7 m。

根据上行开采区域附近揭露的2个钻孔岩性可知，A6-1煤层与A6煤层间有大于下煤层采高的坚硬岩层，为厚约8.7 m的中粗砂岩，其在采煤引起的岩层移动中能起平衡作用，可阻止上覆煤岩层发生台阶错动，根据式（2）计算，围岩平衡高度为11.7 m，可见，A6-1煤层位于距A6煤层最近的平衡岩层（厚约8.7 m的中粗砂岩）之上，可正常进行上行开采。

2.1.4数理统计法

煤炭科学研究院北京开采所刘天泉院士根据我国煤矿的104例受下部一层煤层采动影响的上行开采实例，分析回归出求算上行开采的必要层间距经验公式：

式中：H——上行开采的必要层间距，m。

Ms——上煤层煤厚，取5.0 m。

将相关数据代入式（3）计算得层间距为19.4 m，而A6-1煤层与A6煤层层间距近似满足数理统计法要求的必须层间距，故该矿A6-1煤层采取一定措施可以进行上行开采。

2.1.5时间间隔分析

下部煤层采出后，覆岩垮落、断裂、移动变形至移动稳定需要一定的时间。所以，上行开采时开采间隔时间要足够，否则，即使有足够层间距，开采上煤层也会遇到困难。

A603工作面里端部分开采结束时间距开采A6 -103工作面时间已2年多，满足上下煤层开采的间隔时间为3～10个月的要求。

2.1.6传统方法分析结果

通过上述传统方法分析可见，该区域上行开采能满足时间间隔的要求，但4种判别方法给出的上行开采是否可行存在一定的异议。鉴于我国已有部分矿区已在近距离条件下成功进行了上行开采的经验，故需要进一步结合现场探测、模拟研究以及工程类比等手段，综合分析该区域上行开采是否可行。

2.2现场探测结果与分析

为准确掌握A6-1煤层受采动影响的破坏程度，采用探巷的方法观测A6-1煤层的赋存状况、围岩特性、下沉情况等。通过对A6-103工作面上下平巷观测表明，除局部位置出现少量裂缝外，A6-1煤层的结构没有发生大的变化，煤层的完整性和连续性较好，基本上没有遭到破坏，没见明显的台阶下沉、台阶错动和大裂隙，因此，可以进行上行开采。

2.3模拟研究分析

为直观展现A603工作面开采后A6-1煤层的破坏和移动规律，分别采用相似材料模拟和UDEC数值模拟方法，研究A6-103工作面上行开采的可行性。模拟研究均表明，A603工作面的开采未使A6-1煤层的A6-103工作面上行开采区域煤层的连续性发生明显变化，煤层连续性、完整性较好，无台阶错动。因此，A6-1煤层开采区域具有上行开采的可行性。

2.4工程类比分析

目前我国采用垮落法在采动影响倍数不满足要求的条件下进行上行开采都有成功的应用实例，部分矿区甚至存在采动影响倍数小于3的情况进行了上行开采。另外，有文献指出当层间岩层有厚层状刚性、韧性岩层时，上煤层所受到的破坏性影响很小。例如在鸡西立新煤矿和蛟河煤矿的上行开采实例中，层间岩层均以砂岩为主，在采动影响倍数仅为4的情况下，采掘也是正常的。通过类比对象的分析得出，龟兹矿西井上行开采区无论是地质条件，开采方法及采动影响系数等均与目前已经进行过上行开采的矿井相似或相近，因此，龟兹矿西井A6-103进行上行开采是可行的。

2.5上行开采综合分析结果

通过上述多种方法分析了龟兹矿西井A6-103工作面上行开采的可行性，并结合国内已有的上行开采成功案例，尽管上行开采不满足采动影响倍数的要求，但综合分析A6-103工作面可以进行上行开采。

3　上行开采实践

A6-103工作面采用长壁综放上行开采，工作面上、下两巷道主要采用锚杆+锚索+金属网联合支护，同时下运输巷在上述联合支护的基础上进行架棚加强支护。工作面采用ZF4800/17/30型放顶煤液压支架，过渡架为ZFG4800/19/32型液压支架，上、下两巷道超前支护采用ZC32000/18/34型超前支架、1.2 m铰接顶梁、DW315单体液压支柱联合支护。工作面整个开采过程工作面顶底板及煤层未发现大的裂缝和断裂以及台阶错动现象，工作面和巷道矿压显现不明显。开采过程中，为保证工作面的安全开采，采取了一定的安全技术措施，如打钻探测层间岩层垮落情况、加强工作面和巷道矿压观测以及底板沉降观测和底板破裂情况微震监测预警等。

4　结论

（1）根据以上分析论证和开采实践可得龟兹矿西井位于A6煤层上的A6-1煤层在近距离坚硬层间岩层条件下可以安全上行开采。上行开采的成功为类似条件下的上行开采提供了宝贵的实践经验。

（2）上行开采的可行性论证不能仅局限于比值判别法、三带判别法、围岩平衡法、数理统计法等传统方法，有时尚需进一步论证，应结合具体地质采矿条件和一定的手段进行综合分析判定。

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［6］ 陈清通，王大尉.矿权重叠矿井煤层上行开采可行性分析［J］.煤矿开采，2008（4）

［7］ 陈勇，王红胜.旋转开采技术在上行开采不规则薄煤层综采面的实践［J］.中国煤炭，2009（10）

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［10］ 刘锋，陈勇.济三煤矿上行开采实验工作面安全开采技术研究［J］.中国煤炭，2007（12）

Feasibility research and practice of ascending mining method in close distance coal seams with tight roof

Yue Junwen1，Liu Yixin2，Li Feng3，Gao Kai3
（1.Xinjiang Investment holdings Co.，Ltd.，Henan Energy Chemical Industry Group，Urumqi，Xinjiang 830026，China；2.Mine Safety Technology Branch of China Coal Research Institute，Chaoyang，Beijing 100013，China；3.Xinjiang Qiuci Mining Industry Co.，Ltd.，Aksu，Xinjiang 842000，China）

In view of the complex influence factors of ascending mining and according to the specific geology and mining conditions of the western mine in Xinjiang Qiuci Mining Industry，such as the close distance coal seams with tight roof，the feasibility of ascending mining method was demonstrated based on traditional ratio discriminance，three zones discriminance，manthematical statistics，surrounding rock balance method，analog simulation，numerical simulation，underground detection and engineering analogy.The results showed that although the upper and underlying coal seams was close and could not meet the requirement of mining influence multiple of ratio discriminance，the ascending mining method was feasible in view of the control action of hard rock stratum between coal seams，which was also proved by the mining practice.

coal mining，ascending mining，close distance coal seam，hard rock stratum between coal seams，feasibility research

TD823

A

岳军文（1969-），男，河南南阳市人，硕士，高级工程师，1991年毕业于焦作矿业学院，长期从事煤矿现场技术管理、复杂条件采煤工艺研究。

（责任编辑 张毅玲）

国家自然科学基金资助项目（51404139）