上行开采覆岩运移规律与回采巷道位置优化研究第1章.docx

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上行开采覆岩运移规律与回采巷道位置优化研究第1章

上行开采覆岩运移规律与回采巷道位置优化研究

本文以朱集东煤矿11-2煤层首采面开采后覆岩运移规律和13-1煤层首采面回采巷道的布置为研究对象，将岩层的下沉简化为四周简支的薄板挠曲问题对其进行数学描述，采用预测地表沉陷的概率积分法研究了煤层开采后覆岩内部位移场，运用相似模拟实验研究了11-2煤层顶板岩层的活动规律及其对13-1煤层的扰动，基于FLAC3D数值实验提出不稳定性指数概念，以此对上部回采巷道位置进行优化。

取得研究成果如下：

（1）将岩层的下沉简化为四周简支的薄板挠曲问题，对岩层的移动进行数学描述，给出单一缓斜岩层的移动的基本公式及边界条件，采用分析地表移动基本规律的概率积分法分析了覆岩内部位移场。

（2）采用相似模拟实验研究了上行开采顶板活动规律及对上覆煤层的扰动。

认为随11-2煤层首采面的推进，直接顶初次来压后基本顶发生周期性的破断，来压步距为20~30m。

13-1煤层位于11-2煤层回采后的弯曲下沉带内，煤层整体下沉，煤层水平位移的最大值分别为-130.5mm和99.8mm、最大下沉量为1.55m、最大膨胀和压缩变形量为15.79mm和19.07mm，表明13-1煤层整体性遭到一定的破坏，变形量不大，仍能保持连续性，能够满足上行开采的条件。

（3）采用FLAC3D数值计算分析了层间距和水平错距对上行开采上覆煤层巷道稳定性的影响。

依据数值计算结果提出不稳定性指数的概念及计算公式，分析不同区域巷道不稳定指数云图对上覆煤层回采巷道的位置进行优化，确定朱集东煤矿上覆13-1煤层首采面回采巷道的合理位置为相对于下伏11-2煤层首采面回采巷道内错15~20m。

（4）朱集东煤矿13-1煤层首采面1111（3）轨道顺槽相对于11-2煤层首采面1111

（1）回采巷道内错15m掘进，巷道处于卸压区内应力环境较好且煤层结构能够保持完整性，根据数值计算结果给出掘进期间锚网支护方案，掘进后累计28天内两帮累计变形量为40mm。

顶底板累计移近量为114mm。

设计支护方案及参数能控制巷道围岩掘进期间的大变形，巷道整体控制效果较好。

该论文有图40幅，表7个，参考文献84篇。

1绪论

1Introduction

1.1研究背景与意义（ResearchBackgroundandSignificance）

1.1.1研究背景

煤炭在我国的能源结构中约占70%，作为我国的主体能源在国民经济发展中发挥着举足轻重的地位。

我国己探明煤炭储量埋深在600m以内的占26.8%，埋深在600～1000m的占20%，埋深在1000～2000m的占53.2%[1]。

我国煤层埋藏较深，由于沉积环境和成煤条件等多种地质因素的影响，煤层群分布广泛，大多数矿区地质构造复杂，煤质松软，煤层具有高瓦斯、低透气性、高吸附性的特点[2-4]。

煤层开采条件复杂，95%以上煤矿为井工开采，绝大多数矿井为高瓦斯矿井，且高瓦斯矿井和瓦斯突出矿井占48%[5]。

随着煤炭需求量稳固增长、矿井机械化程度和开采强度的不断加大，浅部煤炭资源逐渐减少并频临枯竭，我国煤矿开采深度以平均8~12m/a的速度向下延伸，东部矿井的延伸速度更是达到10~25m/a[6]，许多矿区已提前进入深部开采状态。

例如本溪彩屯矿采深为1197m、新汶孙村矿采深为1055m、开滦赵各庄矿采深为1159m等。

深部煤炭资源开采势在必行或迫在眉睫。

基于目前煤炭资源的市场需要和开采状况，根据现在矿井的平均延伸速度预计未来几十年我国很多煤矿将进入800~1500m的深部开采状态。

矿井进入深部开采后，地质环境更加复杂，地应力的增大等因素将导致突发性工程灾害和重大恶性事故增加，如冲击地压、煤与瓦斯突出、瓦斯爆炸、矿井突水，矿压显现加剧、巷道围岩大变形等[7-13]，对深部资源的安全高效开采造成了巨大威胁，是世界上大多数主要采煤国家目前或将要面临的首要问题[14-21]。

1.1.2研究意义

煤炭进入深部开采后，采场地应力增高各种动力灾害变得比以往更加复杂和严重[22-23]，巷道支护困难，特别是深部软岩巷道具有地压大、变形大、变形速度快和支护难的特点[24-28]，常规的锚梁网索支护已经很难有效控制巷道的大变形。

深部高瓦斯低透气性煤层在高应力作用下，瓦斯气体压缩达到极限，煤岩体中积聚了大量的气体能量，由于工程扰动的作用，造成压缩气体的突然、急剧、猛烈释放，导致工作面或巷道的煤岩层结构瞬时破坏而产生煤与瓦斯突出，从而使浅部不存在煤与瓦斯突出倾向的非突矿井，进入深部以后转变为煤与瓦斯突出灾害频发的突出矿井。

合理选择瓦斯含量小、安全隐患可控的煤层开采，利用岩层移动引起的“卸压增透”效应，通过地面井下立体抽采瓦斯系统能实现煤与瓦斯的高效共采，理论和实践表明，煤与瓦斯共采是高瓦斯低透气性煤炭资源高效安全开采的有效模式[29-33]。

上行开采从根本上改变了覆岩的运动特征以及围岩的应力分布状况[34-35]。

开采中，岩体内的力总是平衡的，在形成一定范围应力集中区的同时，必然形成一些应力降低区。

在布置工作面时，可根据岩层运动规律和支承压力分布规律，从矿井整体来考虑，选择合理的开采程序，有计划地使后开采的部分处于先开采部分的应力降低区内，或者使后开采造成的拉伸应力区与先开采造成的压应力集中区相重合，互相抵消。

这是用开采程序来改善开采条件，进行安全、高效和经济开采的重要手段。

另外，针对深部低透气性高瓦斯煤层群开采条件，长期的理论研究和突出危险煤层的开采实践证明，利用上行开采引起的卸压增透效应进行煤与瓦斯共采是我国煤矿瓦斯灾害防治与环境保护的最佳途径。

总之，上行开采在经济上和安全上均具有很大的优越性。

在卸压开采中，受开采的影响，上覆煤层会发生水平和垂直变形，巷道围岩大范围松散破碎，巷道开挖后集中应力峰值迅速向两帮煤体内部移动，由于两帮煤体强度较低，围岩应力场难以在短时间内通过自身的调节达到平衡[20]，巷帮持续收敛，变形严重，巷道松软复合底板在近乎无约束状态下将发生强烈底鼓破坏。

首采煤层开采后，上覆煤层回采巷道位置相对首采煤层回采巷道有内错、对齐和外错三种方式。

因此结合上行开采上覆煤层的变形特征与破坏程度，通过理论研究和数值计算分析将上覆煤层回采巷道布置在围岩相对完整的应力降低区内，并按照研究成果分区域加强巷道围岩控制将有利于巷道的稳定。

1.2国内外研究现状（ResearchStatusatHomeandAbroad）

1.2.1上行开采技术国内外研究现状

1）国外研究现状[36-38]

自1920年开始，波兰采用上行开采方法开采了部分城市建筑物和铁路线压煤，在上行开采方面取得了丰富的实践经验。

波兰学者W.捷赫维茨认为当层间距大于下煤层采高的12倍的时候上行开采是可行的；B.克鲁宾斯等人进一步考虑了下部煤层开采高度大于1.5m时，层间距达到采高的8倍即可；M.胡德克、马克耶夫斯基、T.斯达朗等考虑了岩石碎胀系数和冒落矸石压缩率成反比关系，M.胡德克提出如下判别式：

（1-1）

式中

——上、下煤层的层间距，m；

——下煤层采高，m；

——岩石碎胀系数；

——冒落矸石的压缩率。

马克耶夫斯基认为，层间距与下煤层采高的平方成正比，与岩石碎胀系数成反比：

（1-2）

T.斯达朗认为，层间距与采高及岩石碎胀系数有关即

（1-3）

前苏联在库兹巴斯矿区取得了大量的上行开采的实践经验和研究成果，其上行开采的实践经验表明：

（1）当开采缓倾斜和倾斜煤层，下层煤为单层煤时，

>10，上行开采可行；

<10，上煤层受到不同程度的破坏，采取一定技术措施，可以上行开采。

（2）当开采急倾斜煤层群时，下层煤为单层煤时，

>8，上行开采可正常进行。

（3）当开采缓倾斜和倾斜煤层时，层间距为在18～85m时，上、下煤层开采时间间隔为3～12个月；开采急倾斜煤层时，层间距在8～70m范围内，上、下煤层开采的时间间隔应为3～10个月。

前苏联学者研究认为，足够的层间距是上行开采的基本条件，主要成果如下：

（1）T.B.达维江茨认为必要层间距与采高有如下关系：

（1-4）

（2）A.Π.基里雅奇科夫在对顿巴斯矿区上行开采实例研究后，提出下层为单一煤层时，上行开采可行所需的必要层间距应按下式计算：

（1-5）

（3）Г.Н.库兹聂佐夫认为，必要层间距与下煤层采高及岩石碎胀系数有关即：

（1-6）

（4）B.д.斯列沙烈夫认为，当上部煤层位于下煤层开采形成的垮落带之上时，可以进行上行开采，并用下式计算：

（1-7）

式中

——岩石碎胀系数；

——煤层倾角。

T.Φ.葛尔巴切夫对库兹巴斯矿区30个矿井106个上行开采实例的分析表明，在任何煤层层间距下，不管煤层间的岩石组成、开采方法及顶板管理方法如何，开采下部煤层都将影响到上部煤层的开采。

这种影响的特征在很大程度上取决于煤层间距，同时也取决于上部煤层在因下部煤层开采所形成的下沉盆地的形态及岩层剧烈运动过程时间的长短。

2）国内研究现状

20世纪70年代，煤层群上行开采引起了我国学者广泛的关注和研究，并在部分矿区进行了试采，80年代，上行开采技术已用于煤矿设计、矿井技术改造及老矿区（矿井）的复采工作中，我国通过在鸡西、阳泉、大同、阜新、平顶山、开滦、淮南等矿区的上行开采，获得了丰富的实践经验和研究成果。

刘天全[39]通过研究采场采动影响的主要规律、垮落法采煤的覆岩破坏规律和分析了我国东部45个矿井104个上行开采实例，认为上行开采的基本条件是具备必要尺寸的层间距离，提出了上行开采的比值判别法、“三带”判别法，并得出了上行开采可行所需的必要层间距经验公式：

（1-8）

李鸿昌，钱鸣高[40]通过研究孔庄矿24m层间距上行开采实例，得出上行开采的采用准则为：

当上位岩层中有厚层坚硬岩层时，上煤层应在平衡带岩层内。

当顶板均为薄层软岩层时，则安全间距较前者为小。

并由顶板下沉曲线和岩块变形的几何条件分析得出安全间距应与下煤层的采高、层间岩性及结构等有关，安全层间距计算公式为：

（1-9）

式中

——平衡岩层厚度，m；

——直接顶的初始碎胀系数；

——平衡岩层拐点位置的碎胀系数；

——平衡岩层的离层系数；

——平衡岩块断裂长度，m；

——平衡岩块的平衡坡度角。

汪理全等[41-42]对上行开采做了大量研究，分析了上行开采采场上覆岩层裂隙的变化、导水性能的变化以及受下部回采影响的上方巷道位移与变形的规律，论述了上行开采的机理和条件，认为上行开采层间岩性不同，比值判别法也不同，并对围岩平衡法进行了修正和简化。

宋振骐[43]通过研究盘江矿区近距离多煤层上行开采的可行性认为上行开采的可行性与上位煤层覆岩性质及其组合有关系，不能只局限于上、下两层煤之间的距离和岩性，应根据不同的地层条件、不同的开采目的决定反程序开采的开采工艺。

马立强，汪理全等[44]采用相似模拟、数值计算、现场实践对平煤四矿采动影响系数K仅为2.8条件下上行开采进行研究，得出：

在上位煤层覆岩能形成较好的力学结构的地质条件下，会使上位煤层所受压力比较均匀，失去了产生台阶下沉的动力，采用浅截深、快速推进、合理布置巷道等开采技术措施，上层煤位于规则垮落带以上即可上行开采。

张宏伟，韩军等[45]通过研究阜新矿区清河门矿近距离煤层群实施上行开采的技术条件，得出当上煤层位于下煤层开采的垮落带上方时，上煤层及其顶底板整体性遭到一定的破坏，但仍能保持连续性，随着下煤层开采后时间的流逝，煤层中形成的裂隙和断裂逐步“愈合”，煤层的整体性得到改善的结论。

蒋金泉、尹增德等[46-47]利用“双端封堵测漏装置”对新汶矿业集团公司孙村煤矿深井倾斜煤层开采后覆岩破坏进行探测，研究了深井倾斜煤层覆岩破坏范围及分带发育特征