上行開(kāi)采法是指在一個(gè)煤系地層內(nèi),含有兩層以上并有一定間距及開(kāi)采價(jià)值的煤層，在開(kāi)采手段上是先采下部煤層,然后再開(kāi)采上部煤層。在上行開(kāi)采過(guò)程中，由于下部煤層的開(kāi)采，形成大面積采空區(qū)，巖體在自然重力及開(kāi)采影響下會(huì)產(chǎn)生變形破壞，致使上部煤層回采的過(guò)程中巖體裂隙發(fā)育，頂?shù)装迤扑?，管理困難，一般礦井設(shè)計(jì)極少采用。目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于上行式煤層開(kāi)采的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律基本沒(méi)有進(jìn)行過(guò)系統(tǒng)的觀測(cè)和研究。上部煤層開(kāi)采的過(guò)程中，還存在著許多技術(shù)難題，仍處于實(shí)踐性和經(jīng)驗(yàn)性的定性研究階段。鑒于此，本文針對(duì)東山煤礦現(xiàn)有煤層賦存狀況和開(kāi)采技術(shù)條件對(duì)12號(hào)煤層51216工作面上行開(kāi)采可行性進(jìn)行分析，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，得出一些有益的結(jié)論。
1工作面基本概況
東山煤礦主要開(kāi)采煤層為12號(hào)、15號(hào)煤層，目前，下部煤層五采區(qū)15號(hào)煤層基本采完，為了緩和生產(chǎn)接替緊張的局面，提高礦井產(chǎn)量，對(duì)上部12號(hào)煤層51216工作面開(kāi)采。12號(hào)煤層平均厚度為2.185 m，傾角6—12°，埋深150m—270m。直接頂厚3.37m，為深灰色泥質(zhì)灰?guī)r，具脘足類化石；老頂厚5.18m，為深灰色頁(yè)巖，夾鈣質(zhì)結(jié)核，節(jié)理發(fā)育；直接底厚2.41m,為淺灰色細(xì)砂巖，含較多大炭粒；老底厚度為2.39m，為灰色砂質(zhì)頁(yè)巖互層斜層理清晰。51216工作面采用長(zhǎng)壁高檔普采，全部垮落法管理頂板。
51216工作面下方為15號(hào)煤層51521工作面，兩煤層間距離較近約27—40m。51521工作面采用長(zhǎng)壁式分層開(kāi)采，全部垮落法管理頂板，于2004年10月上、中分層已采空，共采出煤厚4m。51521工作面頂板為深灰色L1石灰?guī)r，致密堅(jiān)硬，不易冒落，垂直和斜交節(jié)理較發(fā)育，裂隙充填方解石，一般厚度在2.5m，底板為灰黑色沙質(zhì)泥巖或粉、細(xì)砂巖，常有薄層泥巖偽底。51216工作面和51521工作面布置和層位關(guān)系如圖1所示。
圖1 15號(hào)煤層51521工作面與12號(hào)煤層51216工作面布置與層間位置剖面示意圖
2 51216工作面上行開(kāi)采的可行性分析
12號(hào)煤層51216工作面能否實(shí)現(xiàn)上行開(kāi)采取應(yīng)決于①上、下煤層采高；②上、下煤層的間距；③上、下煤層之間巖性；④下煤層開(kāi)采頂板垮落情況等諸多因素。根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，國(guó)內(nèi)外關(guān)于上行開(kāi)采一般常把采動(dòng)影響倍數(shù)的大小作為能否實(shí)現(xiàn)上行開(kāi)采依據(jù)。即：
式中，
—采動(dòng)影響倍數(shù)；
—上下煤層之間的垂距，m；
—下煤層采高，m。
當(dāng)下部開(kāi)采多個(gè)煤層時(shí)，用綜合比值KZ判別，即：
式中 
，K2=
，
；
—分別為
煤層至
煤層的垂距，m；
—分別為下部各煤層的采高，m。
目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于能否實(shí)行上行開(kāi)采的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)判別方法如下：
（1）波蘭上行開(kāi)采傾斜煤層的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)
當(dāng)下部開(kāi)采一個(gè)煤層時(shí)，上、下煤層開(kāi)采的間隔時(shí)間為1年以上。當(dāng)k＞6，可成功進(jìn)行上行開(kāi)采；當(dāng)k＜6時(shí)，上煤層受到不同程度的嚴(yán)重破壞，不能上行開(kāi)采。
（2）前蘇聯(lián)上行開(kāi)采實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)
①開(kāi)采緩傾斜和傾斜煤層時(shí)，采動(dòng)影響倍數(shù)k≥10，上行開(kāi)采成功；k＜10 上煤層受到不同程度的破壞，采取一定技術(shù)措施，可以上行開(kāi)采。
②開(kāi)采急傾斜煤層群，采動(dòng)影響倍數(shù)k＞8，上煤層正常開(kāi)采。
（3）我國(guó)煤層(群)上行開(kāi)采的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)
①當(dāng)下部開(kāi)采一個(gè)煤層時(shí)，采動(dòng)影響倍數(shù)k＞7.5；上煤層可正常進(jìn)行掘進(jìn)和采煤。
②根據(jù)上、下煤層之間巖性確定為：堅(jiān)硬巖層時(shí)，k=8；中硬巖層時(shí)，k＝7.5；軟弱巖層時(shí)，k＝7。先采下部一個(gè)煤層，一般可以不影響上煤層內(nèi)進(jìn)行正常準(zhǔn)備和采煤。
③上煤層位于下煤層開(kāi)采的冒落帶之上的一定高度時(shí)可正常進(jìn)行上行開(kāi)采。
④上、下煤層的開(kāi)采必須間隔足夠的時(shí)間。可以參照式T=ηK+0.25（年）估算。式中，η—上覆巖層穩(wěn)定影響系數(shù)，一般當(dāng)上、下煤層之間為堅(jiān)硬巖層時(shí)取0.1，為中硬巖層時(shí)取0.08，軟弱巖層時(shí)取0.06。K—采動(dòng)影響倍數(shù)。
（4）數(shù)理統(tǒng)計(jì)經(jīng)驗(yàn)公式
上部煤層受到下部煤層采動(dòng)影響時(shí)，上行開(kāi)采所必需的層間距為：
式中，
—下煤層的采高，m；
—上煤層的高度，m。
綜合以上所述，取東山煤礦15號(hào)煤層51521工作面采高為4m，取采動(dòng)影響倍數(shù)k=7該工作面開(kāi)采所必需的層間距為28m；根據(jù)數(shù)理統(tǒng)計(jì)經(jīng)驗(yàn)公式判定所必需的層間距為24.56m。通過(guò)上述分析，可以判定東山煤礦12號(hào)煤層五采區(qū)51216工作面，基本能夠滿足上述條件可以進(jìn)行上行開(kāi)采。
3 51526工作面開(kāi)采實(shí)踐
51216工作面從2005年10月開(kāi)始正式回采。工作面長(zhǎng)為130m，工作面推進(jìn)長(zhǎng)度為590m，采用DY-150T采煤機(jī)落煤、裝煤，SGW-40T可彎曲刮板輸送機(jī)運(yùn)煤， DZ-2.2T單體液壓支柱與2.2m長(zhǎng)π型鋼梁配套成對(duì)交錯(cuò)邁步支護(hù)頂板，移梁放頂，全部垮落法處理采空區(qū)。51216工作面順利回采，主要礦壓顯現(xiàn)有以下特點(diǎn)：
(1) 工作面初次垮落
當(dāng)工作面推進(jìn)至距離開(kāi)切眼15m左右時(shí)首先在工作面機(jī)尾部局部垮落，然后自機(jī)尾分別向中部、機(jī)頭垮落。當(dāng)工作面推進(jìn)至距離開(kāi)切眼23m左右時(shí)采空區(qū)頂板基本全部垮落，以后采空區(qū)頂板隨采隨冒，切頂線緊隨支架后端，冒落矸石基本能夠全部充滿采空區(qū)（如圖2）。51216工作面初次來(lái)壓步距平均為20.19m，工作面頂板最先垮落的位置是在發(fā)生在工作面上部（靠材料巷），結(jié)合圖51216工作面位置圖可以看出，12號(hào)煤層51216工作面開(kāi)切眼機(jī)尾處位于下部15號(hào)煤層51521工作面采空區(qū)內(nèi)，機(jī)頭位于51521工作面采空區(qū)外。使得51216工作面回采期間工作面上部頂板首先垮落。說(shuō)明15號(hào)煤層51521工作面的開(kāi)采對(duì)12號(hào)煤層51216工作面回采有一定影響。
圖2 51216工作面頂板初次垮落及切頂充填情況
（2）51216工作面平均周期來(lái)壓步距為6.8m。在觀測(cè)期間，周期來(lái)壓步距大部分集中在3.3—9.0m之間。在工作面靠機(jī)尾部步距較大。這是由于該工作面距離15號(hào)煤層間距較大（靠機(jī)尾部約40m），而51216工作面靠機(jī)頭部距離15號(hào)煤層間距較?。s27-30m）。說(shuō)明不同層間距離對(duì)上行開(kāi)采影響程度不同。
（3）頂板狀況
通過(guò)觀測(cè)統(tǒng)計(jì)，機(jī)道上方頂板形成結(jié)構(gòu)完整，未發(fā)生大面積的漏頂現(xiàn)象，支柱穩(wěn)定性較好，能保證采煤機(jī)的正常割煤。工作面頂板下沉量不大，距離煤壁2.4m處頂?shù)装謇塾?jì)移近量平均為114.51 mm，最大控頂距處頂?shù)装?/span>最大移近量平均約為166mm。
工作面頂板下沉速度平均約為0.0036mm/s。在無(wú)工序影響階段為0.0019mm/s—0.0022mm/s；采煤機(jī)割煤時(shí)對(duì)頂板下沉速度顯著影響范圍在采煤機(jī)前后＋5m—－15m之間，移近速度一般在0.005—0.008 mm/s之間，最高可達(dá)0.012mm/s；頂板下沉速度較大的工序?yàn)橐萍芮暗揭萍芎?。下沉速度?.0295mm/min—0.018mm/min。
（4）工作面支架載荷
支柱初撐力小于11.46Mpa(90kN），占支柱總量的89.9%，支柱的實(shí)際初撐力偏低，工作面支架工作阻力在整個(gè)開(kāi)采過(guò)程中，工作面前排支柱平均工作阻力為5.99MPa；中排支柱平均工作阻力為 7.71MPa； 后排支柱平均工作阻力為10MPa。工作面實(shí)測(cè)工作阻力如圖3所示。
圖3 51216工作面單體支柱阻力隨工作面推進(jìn)變化觀測(cè)曲線圖
（5）回采巷道變形
圖4為51216工作面回采巷道在采動(dòng)影響階段觀測(cè)變形曲線。觀測(cè)結(jié)果可以看出，受工作面采動(dòng)影響隨工作面推近巷道頂板和兩幫移近量逐漸增大。在觀測(cè)期間回采巷道頂板絕對(duì)下沉量平均約235mm；兩幫絕對(duì)移近量平均約126mm；底鼓量平均約17mm，巷道底鼓量較小。工作面超前采動(dòng)影響范圍一般在工作面前方20 m左右。
圖4 采動(dòng)影響階段巷道圍巖變形曲線
4 結(jié)論及建議
（1）通過(guò)生產(chǎn)實(shí)踐表明，現(xiàn)有的開(kāi)采方法、支護(hù)方式能夠?qū)崿F(xiàn)12號(hào)煤層51216工作面的上行開(kāi)采，并總結(jié)出上行開(kāi)采礦壓顯現(xiàn)規(guī)律。但采用這種方法時(shí),下部煤層最好采用無(wú)煤柱護(hù)巷。
（2）上煤層的開(kāi)采應(yīng)在下煤層開(kāi)采引起的巖層移動(dòng)穩(wěn)定之后開(kāi)采。
（3）上行開(kāi)采時(shí)，上下煤層要有必要的層間距。東山煤礦當(dāng)下部15號(hào)煤層采出高為4m時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)上部12號(hào)煤層的順利回采。
（4）上部煤層開(kāi)采時(shí)，應(yīng)加快采煤工作面推進(jìn)速度。提高采面推進(jìn)速度，可縮短變形過(guò)程，減少變形程度。
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