近年来，随着赋存条件较好的优质煤炭资源被逐步采出，很多老矿井面临着上层遗留煤炭资源复采的问题。在某些特殊条件下，上行开采能够快速提升矿井的生产能力和新井的建设速度、减少巷道工程量和维护量、缓解采区接续矛盾、延长矿井开采年限。

国内学者针对近距离煤层上行开采开展了大量研究并取得了诸多有价值的成果。孙闯等[1]采用理论分析法推导出上行开采时“部分平衡结构形成层位”与“平衡结构形成层位”的判别公式，提出大采高综采采空区条件下上部煤层能否开采的判别步骤；袁光明等[2]构建以下部煤层开采厚度、煤层间距、层间岩层岩性指数为参量的上部煤层台阶错动量预计公式，提出基于数据统计分析的近距离煤层上行开采可行性判别方法；王传华等[3]通过理论分析和计算机数值模拟，分析了煤层采空区边界的应力分布、覆岩变形破坏特征；张志勇[4]等采用理论分析、数值模拟、相似材料模拟研究了近距离下层煤开采后上覆岩层覆岩破坏情况、岩层裂隙发育规律及工作面矿压显现规律；杨胜利[5]等通过现场实测采空区覆岩破坏范围，总结不同巷道断面形状的优缺点及适用范围，采用数值模拟软件模拟研究了上行开采条件下巷道围岩的受力与变形破坏特征；杨东辉等[6]通过多种理论分析方法与现场实测，得出了工作面沿走向和倾向的矿压显现规律以及支架工作阻力分布特征；李岗伟等[7]对下部煤层开采形成的保护范围进行理论计算，结合理论分析及相似模拟手段分析了陶忽图煤矿近距离厚煤层上行开采可行性；经来旺等[8]通过数值模拟研究中间岩层厚度和节理弱面厚度对上行开采的影响，总结了节理弱面厚度对上行开采的影响规律；张春雷[9]以近距离煤层群为研究背景分析了近距离煤层群上行开采覆岩垮落及运移规律；崔峰等[10]建立了强冲击倾向性煤层上部倒梯形覆岩结构与冲击发生临界位置的关键层结构力学模型，提出煤柱最小安全距离的分析方法；邵小平等[11]研究了东峁煤矿典型工作面上行开采过程中的覆岩裂隙演化规律与层间岩层稳定性情况；王寅等[12]研究了上行开采重复采动下顶底板结构形态，提出了“上行式开采三铰拱式结构”并得出了该模型的稳定条件判据及计算方程；闫腾腾[13]通过理论分析与数值模拟分别以外错、重叠、内错不同的巷道布置方案研究了煤层群遗留煤柱回采巷道布置问题；郭郑超[14]结合理论分析和数值模拟确定了下部煤层开采后上覆岩层的破坏范围和对上部煤层巷道布置区域影响范围从而对煤矿上行开采工作面巷道合理位置确定进行探讨。

并借鉴前述相关研究，以新安煤矿为工程背景，采用理论分析、相似模拟实验的方法，对近距离缓倾斜煤层间重复采动影响下煤2-3底板岩层完整性进行研究，在此基础上确定南区煤层群合理的上行开采顺序。

1、工程背景

新安煤矿位于甘肃省平凉市崇信县新窑镇境内，矿井南北长约3.8 km，东西宽约0.6～1.6 km，面积约4.513 km2。矿井以+535标高将井田划分为两个采区，以采区大巷为界划分为北区和南区。矿井内共含有可采煤层5层，自上而下为煤1、煤2-3、煤3、煤4、煤5。南区煤1已全部开采完毕，南区煤3正在开采中。煤2-3层厚1.69～5.93 m，平均厚4.1 m，平均倾角9°，煤2-3与煤1平均间距37.16 m。煤3层厚0～7.1 m，平均厚3.33 m，平均倾角9°，煤3层与煤2-3平均间距11.76 m。如图1所示。

2、上行开采理论分析

2.1 比值判别法

比值法是将上、下煤层间距与下部煤层开采厚度的比值作为判定上行开采是否可行的方法，见公式（1）。

式中：H为上下煤层层间距，m;M为下煤层采高,m。

我国垮落上行顺序开采的生产实践和研究表明，当判别系数K>7.5时，先采下煤层后，可以不影响在上层煤内进行正常准备和回采。

当下部煤层开采多个煤层时，用综合比值来判别，计算见公式（2）。

图1地质柱状图（图标尺寸/m)

式中：分别为M2,M3，……，Mn+1至M1煤层的垂距；M2,M3，……，Mn+1分别为下部各煤层的采高，如图2所示。

煤层群上行开采研究成果表明，当综合比值K′>6.3时，M1煤层之下的n层煤层先采后，在M1煤层中可以进行正常采掘活动。

图2综合比值K′

本次重点分析近水平采区南区煤3开采之后煤2-3开采的可行性，根据新安煤矿煤层赋存情况得到：

按平均值，两层煤上行开采公式（1）计算，

按南区采区范围内的K2钻孔，煤3厚度为3.06m，煤3至煤2-3的间距为10.91 m,K=10.91/3.06=3.57<7.5。因此，近水平采区南区煤3开采结束再进行煤2-3开采不具有可行性。若煤5开采后进行煤4的开采，则K=6.71/4.99=1.345<7.5，煤4上行开采不具可行性。当采完煤3之后，可下行开采煤4和煤5，最后对煤2-3进行开采。参照柱状图，煤4取平均厚度为3 m，煤5取平均厚度为5 m，由式（2）可得：

煤5采厚较大，且与煤4的层间距较小，煤5开采后对于煤4及以上煤层产生的影响和破坏明显，因此，南区依次按照煤3、煤4、煤5开采后上行开采煤2-3的开采顺序不具有可行性。

2.2“三带”判别法

当使用长壁式全部垮落采煤方法，采空区上覆岩层的移动稳定后，由下往上会形成垮落带、裂隙带和弯曲下沉带。一般情况下，下部煤层开采后，上部煤层处于其垮落带内，上行开采上煤层不可行；处于其裂隙带采取一定措施可实施开采；处于其弯曲下沉带时，上行开采上部煤层具有可行性。上行开采“三带”判别法如图3所示。

图3“三带”判别法

(1）煤3开采对煤2-3的影响

根据南区K2钻孔相关数据分析煤3开采对煤2-3的影响，煤3的厚度约为3 m，煤3开采结束后，形成的垮落带和裂隙带为：

煤3与煤2-3的平均间距为11.76 m，煤3开采后垮落带的高度为6.86～11.26 m，最高点刚好达到煤2-3的底板边缘，煤2-3基本处于煤3上覆岩层的裂隙带，具有整体层状连续性。

(2）煤3、煤4顺序下行开采对煤2-3的影响

结合《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》，分析煤3、煤4顺序下行开采对煤2-3的影响。当上下两层煤的最小垂距h大于下煤层的垮落带高度Hxm时，上下煤层的裂隙带最大高度可按煤层的厚度分别计算，取其中标高最高者作为两层煤的裂隙带最大高度。

当下煤层的垮落带接触到或完全进入上煤层范围内时，上煤层的裂隙带最大高度采用本煤层的厚度计算；下煤层的裂隙带最大高度则应按煤层的综合开采厚度计算，取其中标高最高者作为两层煤的裂隙带最大高度。

上下煤层的综合开采厚度Mz1-2可按下列公式计算：

式中：M1为m1厚度，m;M2为m2厚度，m;h1-2为m1和m2间的法线距离，m;y2为下煤层的冒高与采高之比。

南区煤3开采结束后，进行煤4的开采，煤4垮落带和裂隙带高度为：

煤4和煤3的间距为26 m，则煤4的垮落带没有进入煤3中，开采煤4后煤3的垮落带和裂隙带发育高度和煤3单独开采的发育高度一致。因此，煤3开采结束后进行煤4的开采不会造成煤2-3的煤层整体性破坏。

(3）煤3、煤5、煤4顺序开采对煤2-3的影响

根据南区K2钻孔，南区开采完煤3，煤3开采后如果先开采煤5，煤5的厚度为5 m，则：

煤5与煤4的间距为6.71 m，煤5垮落带高度为6.44～9.44 m，煤4处于煤5垮落带内，南区先开采煤5，再开采煤4的上行开采方案不可行，结合“三带”判别法，煤3开采后开采煤4的开采顺序更为合理。

(4）煤3、煤4、煤5顺序开采对煤2-3的影响

煤3、煤4开采结束后进行煤5的开采，煤5垮落带和裂隙带的发育高度分别为：

煤5和煤4的间距为7 m，南区开采煤5后，煤5的垮落带进入上层煤煤4之中，则煤4的裂隙带发育高度为：

煤4和煤5开采裂隙带发育高度为41±5.6 m，煤4至煤2-3的距离为40 m，垮落带没有发育到煤2-3中，裂隙带发育到了煤2-3中。

综上所述，南区按照煤3、煤4、煤5的顺序下行开采后，垮落带并没有发育到煤2-3，煤2-3处于整体层状连续性，采取一定措施可以进行煤2-3的开采。

3、相似模拟实验设计

3.1 模型建立

南区缓斜煤层群开采，模型实验架煤岩层倾角统一按煤5平均倾角设计为9°。南区工作面走向推进长度约2 000 m左右（3203工作面可采走向长度1 980 m，面长233 m），物理相似材料模型选用3 000 mm×200 mm×2 000 mm的平面模型架进行铺装实验，物理相似材料模型如图4所示。

图4物理相似材料模型

根据地质勘探报告、地质柱状图给出的煤层及其顶底板产状、岩性、力学参数等，按照相似理论选定相似材料的配比参数，设计南区的相似模型材料配比，如表1所示。

3.2 测点布置

为了研究在煤3、煤4、煤5重复采动影响条件下煤2-3的运移变化规律，模型布置3排位移测线，每排测线布置14个位移测点以观测煤层群位移变化情况，测点水平间距均为200 mm，位移测点布置如图5所示。

表1南区相似模型材料配比

图5位移测点布置

3.3 模型开采

为了消除边界影响，保证实验结论的正确性，南区模型边界留200 mm（工程实际为40 m），工作面实际面长为280 m，采用时间相似比换算模型每层煤开采时间为7分钟左右。根据开采实际情况，南区工作面推进采用仰斜（从南至北，由低到高）开采，首先开采煤1模拟真实开采情况，等覆岩稳定之后再开采下煤层群。

3.4 覆岩垮落及运移规律

(1）煤1开采覆岩垮落特征

煤1平均采高7 m，与煤2-3间隔33 m的泥岩。模型采用仰斜从右向左开采，工作面推进到80 m时，老顶初次来压，覆岩呈现“梯形”垮落，垮落高度为48 m，开切眼侧垮落角78°，推进侧垮落角为80°，如图6(a）所示。工作面推进到90 m时，老顶第一次周期来压，来压步距为10 m，垮落高度为22 m，推进侧垮落角为82°，如图6(b）所示。工作面推进到120 m时，裂隙进一步发育，推进测跨落角变化为60°，如图6(c）所示。工作面推进到230 m时，老顶第15次周期来压，来压步距10 m，离层发育高度为182 m，之后离层发育高度不变，认为工作面推进到230 m达到充分采动，共开采距离230 m，如图6(c）、图6(d）所示。

图6煤1顶板及其上覆岩层破坏结构特征

从煤1开采后测线Ⅰ在不同推进距离下的垂直位移曲线可以看出煤1已经达到充分采动，如图7所示。实测垮落带高度约为28 m，裂隙带高度约182 m，如图7所示。

图7煤1回采后A测线位移分布特

(2）煤3开采覆岩垮落特征

煤3和煤2-3间隔层厚度为1 m的细砂岩与10 m的泥岩。当煤3工作面开采40 m时，煤3直接顶垮落，垮落高度为3.5 m，如图8(a）所示。煤3工作面推进到50 m时，老顶初次来压，覆岩呈现“梯形”垮落，煤2-3底板出现离层，如图8(b）所示。煤3工作面推进到70 m时，老顶第一次周期来压，来压步距为20 m，煤2-3下部出现挠曲，如图8(c）所示。煤3工作面推进到80 m时，离层发育明显，离层高度为34.6 m。共开采距离240 m，记录了老顶9次周期来压，煤3开采最终覆岩垮落形态如图8(d）所示。

从来压周期观测可得出，煤3的周期来压存在大小周期。随着工作面推进，上覆岩层离层不断发育，直接顶经历离层发育明显到离层被压实，裂隙闭合，如图8(e）、图8(f）所示。开采开切眼侧垮落角为75°，推进侧垮落角为65°～85°左右，平均73°左右。煤3开采对煤2-3影响较小，煤2-3出现挠曲，整体层状连续结构保持完整。充分采动距离为250 m。测算可得煤3裂隙带为49.8 m，裂采比为16.6。煤3可采完毕后，其上覆煤2-3处于层状整体连续性状态，其处于煤3开采的裂隙带范围内，煤2-3具有上行开采可行性，如图8(d）所示。

(3）煤4开采覆岩垮落特征

当煤4工作面开采30 m时，煤4直接顶垮落，垮落高度为4.2 m，如图9(a）所示。煤4工作面推进到40 m时，老顶初次来压，覆岩呈现“梯形”垮落，垮落高度为12.6 m，开切眼侧垮落角55°，推进侧垮落角为70°，如图9(b）所示。煤4工作面推进到50 m时，老顶第1次周期来压，来压步距为10 m，离层发育至煤3底板，如图9(c）所示。煤4工作面推进到150 m时，老顶第五次周期来压顶板离层继续发育，裂隙发育至煤3采空区，如图9(d）所示。煤4工作面推进到190 m时，老顶第8次周期来压，来压步距为15 m，如图9(e）所示。共开采距离230 m，记录了老顶9次周期来压,煤4周期来压步距为20 m，开采开切眼侧垮落角为55°，推进侧垮落角为65°～80°,最终覆岩垮落形态如图9(f）所示。

图8煤3顶板及其上覆岩层破坏结构特征及运动规律

(4）煤5开采覆岩垮落特征

当煤5工作面开采30 m时，煤5直接顶垮落，垮落高度为4.8 m，煤5与煤4层间为3.5 m油页岩，

煤4采空区直接进入垮落带范围,如图10(a）所示。由于煤5上方为3.5 m油页岩，之上为煤4采空区，上方一定范围内都属于破碎顶板，且间隔岩层随采随垮，开采过程中，来压并不明显，只是呈现周期性的垮落现象,如图10(b）所示。由于煤5与煤2-3间隔层厚度较大，煤5开采对煤2-3影响较小，整体层状连续结构保持完整。煤5开采开切眼侧垮落角为60°，推进侧垮落角为70°左右，如图10(c）所示。

分析表2结果可知，上部煤层在开采时由于受到下部煤层开采的影响导致其顶板的裂隙更加集中和发育。表现为上部煤层的块体断裂长度明显小于下部煤层开采时的断裂长度，周期来压步距也相应减小；上部煤层及其顶板在下部煤层开采过程中不断损伤，上部煤层的垮落带在经历损伤和三次采动的影响后，变得比下部煤层的垮落带更加破碎，堆积效应明显；而下部煤层的顶板岩层（即上部煤层的底板岩层）受到上部煤层开采的影响，包括采动影响及其传递，导致其进一步压缩和变形；在叠加效应作用下，原垮落岩层区变得更加密实，碎胀效应降低。

图9煤4顶板及其上覆岩层破坏结构特征及运动规律

表2各煤层开采覆岩垮落特征

整个实验过程，岩层结构演化与裂隙发育存在相似性，直接顶垮落前，裂隙自开切眼向采空区方向呈60°～90°动态变化发育，煤层顶部的裂隙经过产生、延伸、发散至贯通直接顶发生垮落；由于碎胀效应，垮落区与上方裂隙带共同形成承载结构，随着岩层的稳定，离层空间逐渐被压缩，裂隙发育高度不再变化，裂隙带以上的岩层能够保持其完整性。

综上所述，新安煤矿南区煤1开采结束后，接着进行下行开采煤3、煤4和煤5后，上覆遗留煤2-3整体处于连续层状完整状态，煤2-3开采具有开采可行性。

图1 0煤5顶板及其上覆岩层破坏结构特征及运动规律

4、结论

1）基于“三带”判别法，煤3开采后上覆岩层垮落带高度为6.86～11.26 m，裂隙带高度为30.1～41.3 m，裂采比为11.6，煤2-3位于煤3开采后的裂隙带，具有上行开采可采性。

2）煤1垮落带高度为28 m，裂隙带高度为182 m，裂采比为26，煤1采动对煤2-3顶板无影响。煤3开切眼侧垮落角为60°，推进侧垮落角范围在65°～85°，垮落带高度约为9.3 m，为采高的3.1倍。其上覆煤2-3顶底板无明显破坏，整体处于层状连续状态，未发生台阶错动。煤4开采覆岩垮落高度为12.6 m，裂隙带发育至煤3采空区，煤3覆岩垮落带受影响较小，对煤2-3整体层状连续结构无影响。煤5顶板为油页岩，直接顶随采随垮，开采呈现周期性垮落。边界煤柱在上覆遗留边界煤柱附近围岩破坏和变形严重。

3）新安煤矿南区煤1开采结束后，下行顺序开采煤3、煤4和煤5，煤层垮落区与上方裂隙带共同形成承载结构，裂隙发育高度不再变化，裂隙带上方岩层能够保持其完整性，上覆遗留煤2-3整体处于连续层状完整状态，煤2-3开采具有开采可行性。

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文章来源:何震,张沛,李卓,等.近距离煤层群重复上行开采岩移规律初探[J].江西煤炭科技,2024,(04):20-26.