八连城煤矿31801工作面上行开采可行性报告

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1、八连城煤矿 31801 工作面上行开采可行性论证报告珲矿公司所属矿井到目前为止，基本来用自上而下即下行开采顺 序、由于八连城煤矿 31801 工作面受特定原因的影响，需要采用上行 开采的方式进行回采。工作面上行开采时，由于其下部煤层己经回采 完毕，下层煤的上覆岩层必然产生变化，这时可能会对上层顶底板造 成一定的影响，甚至可能导致煤层的结构产生一定的变化，其变化程 度取决于下层煤层顶板岩性垮落特性以及煤层的间距。因此，我们要 通过下层煤层的开采状况、围岩岩性、顶板下沉规律进行分析研究， 来确定工作面上行开采方式的可行性。一、上行开采规律及研究方法(一)煤层群上行开采的一般规律1、理论资料上显示上

2、行开采的一般规律：(1) 当下部开采一个煤层时，采动影响倍数K7.5,上煤层可正常进 行掘进和采煤。如果下煤层采出时留有煤柱，则在下部煤柱对应的上 煤层工作面内可能出现局部顶板岩层和煤层的开裂现象，采取一定措 施后，可正常进行上行开采。(2) 当下部开采多个煤层时，综合采动影响倍数 K 6.3，可在上行z煤层正常进行掘进和采煤工作。(3) 上煤层位于下煤层开采的冒落带之上时，一般可正常进行上行开 采。2、国内上行开采实践分析结论：(1) 当下部开采单一煤层时，采动影响倍数K的下限值为6。(2) 当下部开采多个层时，综合采动影响倍数K 6.3时上部煤层可正z常进行回采，没有提出 K 的下限值。z

3、(3) 上下煤层开采间隔时间大于 3 个月。(二)针对 31801 工作面分析研究方法针对八连城煤矿19号煤层、18号煤层围岩岩性、工作面布置形式 等条件，通过理论计算方法，开展顶板下沉变形规律、采空区在时间 和空间上对上覆煤层造成的影响等相关内容的研究，获得 31801 工作 面围岩抗压强度变化范围、安全回采的煤层层间距和上部综采面合理 布置及开采时间间隔等关键性参数。根据下部 19号煤为已有采空区， 确定上部 18 号煤层再进行综采的上行开采的可行性，提供安全回采可 行性临界条件及实施方案，并指导现场应用。二、下部工作面开采现状1、工作面位置及周边情况31912 工作面位于西三区南部，第

4、2 勘探线与第5勘探线之间；走 向长1150m，倾向长度200m，平均厚度3.3m，可采面积230000m2，可 采储量 82.9 万吨。与四邻关系：北东为西三皮带下山、西三轨道下山 及西三回风下山；北西为31906工作面；东南为DF67及DF73正断层； 西南为图们江堤19 层保护煤柱。2、地表及标高情况与地表关系；以农田为主，包括河流，公路等；地面标高：24.1026.50m，井下标高：-546.50-562.10m。3、煤层特征及构造情况表 2.1 可采煤层特征表内容单位指标备注煤层厚度最大最小/平均m4.602.70/煤层倾角最大最小/平均o81/3煤层硬度f1.30煤层层旦发育程度较

5、发育煤层结构0.55 (0.15) 0.45 (0.20) 1.45 (0.20) 0.50煤体结构原生结构煤4、煤层顶底板特征1）顶底板特征表 2.2 顶底板岩性顶底板岩，性厚度（米）裂隙发育情况顶板老顶粗砂岩5.40较发育直接顶粉砂质泥岩2.40较发育伪顶底板粉砂岩1.15较发育2）地质特征表 2.3 地质情况瓦斯八连城煤矿19号煤层鉴定区域无煤与瓦斯突出危险性。绝对瓦斯涌 出量20.58m3/min,相对瓦斯涌出量：10.03m3/T。煤尘煤尘具有爆炸性，煤尘爆炸指数51.19%。煤层自燃特征丨类容易自燃，自燃发火期12个月。地压该区域无冲击地压。5、工作面支护情况工作面入回风巷采用锚网

6、索联合支护，断面为15.54m2；工作面共计安装 134 部 ZY6000/16.5/38D 型液压支架，支架主要技术参数如下：表 2.4 支架主要技术参数支架型号ZY6000/16.5/38D支架主度m1.653.80支护强度MPa0.80.9 (P=31.5MP)中心距mm1500支架宽度m1.431.60初撑力kN5064 (P=31.5MPa)工作阻力kN6000推溜力/拉架力kN633/360支架重量t20.5对底板平均比压MPa1.416、采煤方法31 91 2工作面沿煤层倾向布置，采用走向长壁一次采全高后退式全 部垮落法综合机械化采煤法，为工作面的回采主要布置了 31912 运输

7、 顺槽、回风顺槽及开切眼。工作面开采时间为2016年8月2017年5 月。三、上部设计工作面基本情况1、工作面位置及周边情况31801 工作面位于西三采区南部，第2 探线和第5 勤探线之间，走 向长度1050m，倾向长度195m，平均厚度1.6m，可采面积196820m2, 可采储量 44.0 万吨。与四邻关系：31 8 1 0 运输顺槽北为待采区；南为 DF73 号和 DF67 号正断层；西为图们江堤 18 层保护煤柱线；东为西三 轨道下山，下部为 31912 采空区。2、地表及标高情况 与地表关系：以农田为主，包括河流，公路等；地面标高：24.1026.50m，井下标高：-527.6-55

8、6.1m。3、煤层特征及构造情况工作面煤岩层走向北西Xo南东，倾向南西X。，倾角3。，预掘区 12域为单斜构造；断层：DF73号正断层，（在西三轨道下山导线点268 点, 西三皮带下山导线点 850 点，西三回风下山导线点 118 点处均有揭露） 走向北东乂。西，倾向Xo，倾角60。DF67号正断层，走向北东X5o, 34倾向北西Xo,落差023。两条断层均存在预掘巷道外侧，均为不含（导） 6水断层，对预掘巷道围岩的完整性存在影响。工作面顶板为粉砂岩，厚度7.0m,灰白色，胶结中等，f = 1.78; 煤层平均煤厚1.60m,黑色，块状，半亮型，f = 0.96;底板为粉砂岩, 厚度10.20

9、m，灰白色，成分以石英，长石为主，f = 2.54。工作面与下部采空区层间距为18-30m，平均为24m。煤层顶底板综台柱状图1S Cmi?首塔4r4fr性抵堆* 0 H 4 1SAT 壬一匚壬:10W .1j 二壬 話1 二二 鼻$ 4F F 1 - *审；刃1,” 1*11” ；!* tl1 Z/好、1Hk:;b?：i1 z ig4、地质特征表 3.1 地质情况瓦斯八连城煤矿18号煤层鉴定区域无煤与瓦斯突出危险性。绝对瓦斯涌出量1.40m3/mi n。煤尘煤尘具有爆炸性，煤尘爆炸指数51.19%。煤层自燃特征II类容易自燃，自燃发火期12个月。地温空气温度最高为31.6。（恒温带温度为10

10、.77oC,全区平均地温梯度为每100 米增加3.7oC）计算得出温度为31.6oC，属地温异常区域。地压该区域无冲击地压。地应力场为水平主控应力场，其最大水平主应力分布 范围为18.1223.26MPa，其与垂直应力比值在1.561.58之间，平均为1.57。最大水平主应力的走向平均为213.83。，为SW向，与区域构造应力 场最大主应力的方向基本保持一致。涌水量工作面正常涌水量0.010.20m3/h，最大涌水量0.30m3/h。四、煤岩物理力学参数测定结果 此次论证将北京煤科总院对八连城测定的煤岩物理力学参数结果 作为本次围岩参数的参考依据。表 2.10 八连城煤矿 19 、 23 煤及

11、基本原底板的物理力学参数测试结果煤层名称块体密度/kgm-3抗压强度/MPa弹性模量/GPa泊松比内聚力/MPa内摩擦角 / （o）抗拉强度/MPa19煤顶2237.2417.8421.6340.4095.11031.712.44219煤1279.569.6631.7150.4592.80928.970.97519煤底2358.2025.4304.3010.3294.96431.582.60423煤顶2384.3323.1115.2940.3465.34431.232.57023煤1277.6711.5211.5710.4193.04127.080.99023煤底2350.4225.3014.

12、7850.3464.71432.512.639五、采空区上行开采条件判别论证国内煤矿对于上行开采的研究成果主要是围绕煤层层间距离、岩 性和煤层采高等因素来分析下部煤层开采顶板的垮落特征，进而确定 能否实现上行顺序开采，重点是把煤层间距离作为决定能否采用上行 开采的主要衡量指标。煤层能否采用上行开采的判别方法主要包括： 实践经验判别方法、比值判別法、“三带”判别法、围岩平 衡法。1、“三带”判别法：上行开采法首先是开采下部煤层，其上覆岩层稳定后，再开始开 采上部煤层，这样就必须确定上、下煤层之间的距离，只有在层间距 适当的时候才能有条件采用上行开采法，否则无法进行上行开采。当 下部煤层开采后，采

13、空区上覆岩层必然产生移动变形，形成冒落带、 裂隙带、弯曲下沉带，其三带关系可以见图 5.1所示。三I 一冒落带11-裂隙带ID-弯曲下沉带当上下煤层的层间距小于或等于下煤层冒落带的高度时，上煤层 结构将遭到严重破坏，无法进行上行开采；当上下煤层间距小于或等 于裂隙带高度时，上煤层结构只发生中等程度的破坏，采取一定安全 措施后，可正常进行上行开采；当上下煤层间距大于下煤层的裂隙带 高度时，上煤层只发生整体移动，结构不受破坏，可正常进行上行开 采，上煤层的开采应该在下煤层开采引起的岩层移动稳定之后进行。不同倾角、不同岩性的岩层及不同组合的覆岩，其移动规律及破 坏规律是不同的。当上下两层煤的最小垂距

14、h大于煤层的冒落带Hm时, 上下煤层的裂隙带最大高度取标高最高者作为两层煤的裂隙带最大高 度。通常对上部煤层的影响主要是冒落带和裂隙带，弯曲下沉带对上部煤层的影响不是太大。冒落带与裂隙带之间并无严格的界线根据我国各煤田的实测资料分析,这两带的总高度一般为采出煤厚的9-35倍。因此采用“三带”法进行判别，根据建筑物、水体、铁路及主 要井巷煤柱留设与压煤开采规范附录 4中关于垮落带高度的计算公 式：附表 5-1 厚煤层分层开采的垮落带高度计算公式覆岩岩性（单向抗压强度及主要岩石名称）/Mpa计算公式之/m坚硬（40-80,石英砂岩、石灰岩、砾岩）100 工 MH, = V 2.5k 2.1 乙 M

15、 + 16中硬（20-40，砂岩、泥质灰岩、砂质页岩、页岩）100 工 MH =V1 2.2k 4.7乙 M + 19软弱（10-20，泥岩、泥质砂岩）100 工 MH =V 1.5k 6.2乙 M + 32极软弱（V10，铝土岩、风化泥岩、黏士、砂质泥土）100 工 MH = 1.2 k 7 乙 M + 63根据八连城煤矿煤岩力学参数测定结果，单向抗压强度在 2040之间，垮落带高度选择：100 工 MH. = 2.2k 4.7 乙 M +19附表 5-2 厚煤层分层开采的导水裂隙带高度计算公式覆岩岩性（单向抗压强度及主要岩石名称）/Mpa计算公式之/m坚硬（40-80,石英砂岩、石灰岩、砾

16、岩）100 工 MH =y 8.9”1.2乙 M + 2.0中硬（20-40，砂岩、泥质灰岩、砂质页岩、页岩）100 工 MH =V7 5.6”1.6乙 M + 3.6软弱（10-20，泥岩、泥质砂岩）100 工 MH = 4.0”3.1 乙 M + 5.0极软弱（V10，铝土岩、风化泥岩、黏士、砂质泥土）100 工 MH =V7 3.0”5.0乙 M + 8.0根据八连城煤矿煤岩力学参数测定结果，单向抗压强度在 2040之间，裂隙带高度选择：100 工 MH 二土 5.6111.6 乙 M + 3.6取K=1.4, M=3.3m,煤层倾角=3，带入冒落计算公式得出煤开采o后的冒落带发育高为1

17、1.76m,裂隙带发育高度42.76m, 18号煤层处于 裂隙带范围之内，需及时关注矿压显现和顶底板变形，并根据现场及 时制定合理的控制措施后才能进行上行开采。2、比值判别法 上行开采主要受上、下两煤层之间的层间距与下部所采煤层的采 出高度之比（采动影响系数K）、层间岩层性质和结构影响，比值分析 法通过建立采动影响系数K来判定上下两层煤的相互影响：K = HM式中：H上下煤层之间的垂距，m； M下煤层采高，m。我国采矿界目前认可的“比值法”上行开采判别标准：当下部煤 层为单一煤层，层间岩层为坚硬岩层，采动影响倍数K7时，先采下 部煤层可以不影响在上煤层内进行正常准备和回采，上煤层可正常进 行掘

18、进和采煤；层间岩层为中硬岩层，采动影响倍数5VKV7，上煤层 可正常进行掘进和采煤。由钻孔柱状图可知，18号煤层与19号煤层层间距平均为24m，层 间岩石以粗砂岩为主，粗砂岩的单轴抗压强度为17.842Mpa，属于软弱 岩体。计算取H = 24m, M = 3.3m，通过计算得知，采动影响系数为7.27 满足上行开采所需条件。3、上行开采的国岩平衡判别法上行开采破坏了上覆岩层的原始应力平衡状态，必然引起上覆岩 层的横向及纵向变形与破坏。上覆岩层的横向及纵向剪切变形则表现 为煤层发生台阶错动，破坏煤层结构，后者是影响上行开采有最大障 碍。采场上覆岩体在垂直方向分为冒落带、裂隙带及弯曲下沉带。从

19、围岩平衡的观点，可以分为非平衡带（即冒落带）、部分平衡带（相 当于裂隙带下位岩层）、平衡带（相当于裂隙带的下位岩层之上的岩 层），沿走向可分为原始应力区A、煤壁支撑区B、离层区C、重新压 实区D及稳定区E,其上覆岩石分区关系可以见下图所示。裂隙带的上位岩层形成煤壁及上覆岩层-压实的矸石为支撑体系 的岩层结构，一般岩层自身可形成不发生台阶错动的平衡岩层结构。 裂隙带的下位岩层形成以“煤壁支架矸石”为支撑体系的岩层结 构，这种岩层结构在支架参与下，可获得平衡。采场上覆岩层中具有 一定厚度且强度较高的岩层是控制采场上覆岩层移动的关健。在回采过程中，能够形成不发生台阶错动的平衡岩层结构的岩层 称为平衡

20、岩层，设从下煤层顶板至平衡岩层顶板的高度叫围岩平衡高 度，则其上行开采的基本准则是：当上覆岩层中有坚硬岩层时，上煤 层位于距下煤层最近的平衡岩层之上；当采场上覆岩层均为软岩时， 上煤层应位于裂隙带内，上煤层的开采应在下煤层开采引起的岩层稳 定之后进行。上行开采必要的围岩平衡高度 H 为：bHb =式中：M下煤采高，m;K 一岩石碎胀系数;h一平衡岩层本身高度，m。通过前述的柱状图可知，层间岩层主要是以粗砂岩、细砂岩为主， 因此将10.20m的粉砂岩整体看做关键层，则围岩平衡高度为：18.45m。 考虑岩层为软弱岩层，碎涨系数取 1.4， 18 号煤层分布在平衡岩层之 外，上行开采可行。但是在上

21、行开采时需要注意底板的稳定性，并根 据情况采取必要的防犯措施。4、上行开采的数理统计分析方法上部煤层受到下部煤层采动影响时，上行开采所必需的层间距的经验公式为：H 1.14M2 + 4.14 + M 2JL式中:M 一下煤层的采高，m； M 一上煤层的高度，m。计算可得上12行开采的合理层间距为18.15m，据此可知18号层适合上行开采。表5.3汇总表序号判别方法最小层间距（m）可行性1三带法冒落带：11.76 裂隙带:42.76位于冒落带之上，裂隙带之内，上行 可采取相应措施。2比值法7.27可行3围岩平衡法18.45可行4数理统计法18.15可行事实上，这些判别方法均是在经验的基础上以层间

22、距、下层煤采 高以及下层煤开采后形成的垮落、裂隙带情况作为分析能否采用上 行开采的主要因素。而三带高度的计算差异较大，面对复杂多变的 煤系岩层与技术难题，仍需采取相关的控制措施来进行控制，因此 上行开采可行性判断经验的成分不宜偏重，掘进和回采过程中需要 继续加强矿压观测，采取更为有效的支护手段，防范各类顶板事故 的发生。六、采空区上行开采可行性论证1、采空区影响的时间效益分析下部煤层采出后，覆岩垮落、移动变形至移动稳定，存在一定 时空的发展过程。若覆岩为软弱岩层，裂带发展到最高而后稳定的 时间一般 4-6 个月。总之，上下煤层的开采应间隔足够的时间，否则，即使有足够 层间距，开采上部煤层也会遇

23、到困难。如果没有实测的采场上覆岩 层的活动时间，可参照下述方法估算。当上、下煤层之间为坚硬岩层时，上、下层煤开采的间隔时间 可按下式确定：t =0.10K+3 （月）（6.1）当上、下煤层之间为中硬岩层时，上、下煤层开采的间隔时间 可按下式确定：t =0.08K+3 （月）（6.2）当上、下煤层之间为软弱岩层时，上、下煤层开采的间隔时间可按下式确定：t =0.06K+3 （月）（6.3）式中：K采动影响倍数上行开采涉及的 31912 工作面里端部分开采时间为 2016 年 8月2017年5月，距今已有7个月的时间，如目前开来31801工作面, 满足上、下煤层开来的相应间隔时间要求。2、上行开采

24、采空区矿压显现规律根据国内矿井对采空区及软岩开采实践研究，采用长壁垮落采煤 法的工作面，随着工作面不断推进，采空区面积也不断扩大，采场上 覆岩层到一定距离时，岩层移动波及到某一高度的覆岩，使覆岩产生 一种在空间上和时间上有规律的移动和变形，当工作面采完，覆岩移 动稳定之后，在空区上方形成一个沉陷区，根据移动盆地理论，上行 开采的煤层处于支承压力峰值区与下沉过渡区内，在开采边界内由于 煤柱的支撑作用，会导致悬臂梁和空洞结构，在施工中需要采取措施 进行防范；上部煤层处于工作面的垮落带之上、裂带之内，除上部煤 层开采区域均会出现微小裂缝，其整体虽道到一定程度的破坏，但会 保持较好的连续性，不会出现特

25、别明显的台阶下沉或台阶错动现象产 生；上部煤层在施工中，矿压显现受残余支承压力影响依然剧烈，且 有局部高应力存在，但没有明显的结构性破坏，故认为在做好相关安 全保障措施的基础上，上部煤层具有上行开采的可行性。七、18 号煤层开采的相关控制措施根据国内煤矿开展的上行开采实践可知，上部煤层及固岩若处于 下部煤层开采后的采动裂隙带范围内，可以进行上行开采，但需要采 取一定的安全技术措施。已有的上行开采实践表明，工作面上行开采 期间可能发生的主要问题如下:1、受下部煤层采动影响，上部煤层顶底板完整性可能破坏。垂直 于层理的节理裂隙比较发育，层面之间离层胶结强度降低，顶板裸露 后一旦出现局部掉碴且处理不

26、及时，容易发生局部冒顶和大面积冒顶 等现象。2、随上行开采工作面不断推进，回采工作面及顺槽部分地段可能 出现底板裂隙，进入工作面超前支承压力影响区时，围岩变形可能急 剧增大，巷道断面有可能无法满足施工需要。3、上部煤层松软是由于下部煤层的开采，使上部煤层变得比原来 要松软。4、上行开采工作面顺槽若内错于下部煤层开采边界，处于下部煤 层开采后的沉降带边缘和侧向支承压力带内，施工过程中可能出现巷 道两帮压力大、变形破坏严重等问题。5、上行开采工作面在下部煤层未开采区上方与采空区上方相比， 顶板压力降低，因此上行布置工作面选择外错于下部采空区。研究和实践表明，受下部煤层回采影响，上部煤层及围岩物理力

27、 学性质发生了变化，裂隙发育明显，影响煤层的完整性差，因而在开 采过程中可能出现不同于常规的矿压显现，从而影响上部煤层的安全回采。为此，很有必要采取一些防范措施：1、加强支护在施工过程中为保证巷道掘进顶板安全条件下，需充分考虑采动 压力和采空区压力的传递影响，必须在原有支护设计的基础上加强支 护，提高卷道的整体承载能力。首先根据煤岩力学参数测试结果和矿 压观测及现场支护的效果，及时优化及改进支护参数。2、特殊地点的加固对工作面出现底板采动裂隙发育处及顶板发生台阶下沉时要采取 适当的加固方式，保持工作面支护的稳定性，避免工作面局部或整体 失衡。如采取加强顶板支护、局部底板注浆等措施。3、加强顶板

28、管理由于 19 号煤层的开采，导致了上覆岩层整体结构的破坏，使 18 号煤层的底板岩层可能出现移动盆地，煤层顶底板完整性遭到破坏， 垂直于层理的节理裂隙比较发育，层面之间离层胶结强度降低，各岩 块由于互相咬合而形成力的平衛，顶板裸露后一旦出现局部掉碴且处 理不及时，将会出现大面积的顶板垮落，为此必须采取相应的措范提 高顶板的稳定性。八、结论本次论证采用三带法、比值法、国岩平衡、数理统计等方法对八 连城矿下部为采空区上部再综的上行开采可行性进行了分析研究。论 证结果表明 31801 工作面可以上行开采，但由于采空区与设计工作面 层间距相对较小，掘进和开采时矿山压力显现会十分明显，导致上部 煤层逐渐屈服破坏，巷道两帮及底板变形和破坏严重，维护十分困难 因此施工中要优化及改进支护参数，加强矿压观测，防范各类顶板事 故的发生。