上行开采研究报告1

深井近距煤层覆岩特性与上行开采技术研究项目研究报告1 上行开采研究的必要性与技术思路1.1 上行开采的国内外研究现状上行开采是煤矿生产必须解决的重要课题。

在某些地质及开采技术条件下，上行开采在安全、开采技术及提高经济效益等方面具有独特作用，可以解决下行开采无法从根本上解决的重要问题，能消除下行开采所产生的一些缺点。

因此，合理地运用上行开采有着极其重要的意义。

我国自70年代末期开始关注和试验上行开采问题，并逐渐积累了很多宝贵的经验。

采用上行开采方式，在开采解放层确保矿井安全生产、上下煤层配采达到矿井设计能力、上行开采提高矿井产量和经济效益、复采采空区上方遗留煤层解放呆滞煤量等方面发挥了重要作用。

前苏联库兹巴斯矿区采用上行开采方式提高矿井生产能力，波兰在建筑物及铁路下采煤时，有时也采用上行开采方式，两国都积累了上行开采的实践经验。

国内外在上行开采的研究及应用方面，其主要成果是关于上行开采层间距、上行开采主要影响因素方面，并在缓倾斜、倾斜及急倾斜煤层中试验与应用上行开采。

对上行开采层间距的认识有：比值法、三带判别法、数理统计分析法、围岩平衡法。

上行开采的一系列理论与技术问题急待进行深入的研究与试验。

在理论上，没有研究揭示上行开采覆岩特性，如覆岩裂隙发育规律、覆岩结构分带规律、深井高地压近距离煤层上行开采的岩层结构平衡条件等上行开采的核心理论问题；在技术与方法上没有针对深井高地压的特点，研究提供上行开采的基本层间距判别方法、层间距与上行开采效果的关系、上行开采层间距的区间划分，还不能有效地解决深井近距煤层上行开采可行程度的判别问题；在研究与应用领域上，还不能分析及预测复合顶板煤层上行开采可行性。

总之，现有的经验判别方法，理论基础不足、结果偏于保守、不能判别上行开采可行程度、不能适应深井高地压及复合顶板的上行开采可行性分析。

需要进行深入研究，在上行开采理论基础与技术方法上取得突破。

经检索，国内外尚没有关于深井近距煤层覆岩特性与复合顶板上行开采的研究与实践。

1.2 课题研究的必要性1.2.1深井近距煤层覆岩特性与上行开采可行性评价方法是急待研究的课题1）我国煤矿开采深度逐年增大，不少矿井的采深已达到600m以上，一些矿井已达到800～1100m。

在深井开采中，冲击地压、煤与瓦斯突出、巷道支护、工作面复合顶板或松软顶板管理等一系列高地压现象日益突出。

改变常规的下行开采方式，优化开采程序，实行上行开采或部分煤层上行开采，是解决高地压问题的有效途径。

2）在理论上，必须研究揭示深井近距煤层上行开采的覆岩运动与破坏特性，如深井高地压作用下的覆岩裂隙的分带规律、覆岩结构的分带规律、岩层结构的平衡条件等，才能阐明近距煤层上行开采机理。

3）在技术与方法上，必须针对深井高地压的特点，研究提供上行开采的基本层间距、层间距与上行开采效果的关系、上行开采区间划分，从而突破传统的经验判别方法，对近距煤层上行开采可行程度做出预测，为开采程序的优化、采掘部署提供设计决策依据。

4）在研究与应用领域上，采用上行开采方式解决深井高地压问题，煤层复合顶板问题，还是需要研究与试验的课题。

项目以新汶矿区孙村煤矿千米深度二、三、四层煤为工程背景，采用井下探测、物理模拟、计算模拟、理论分析等方法，比较系统地研究了深井中硬覆岩上行开采中的一系列理论与技术问题，如覆岩裂隙发育的亚分带规律、覆岩结构状态的分带规律、上行开采作用效应、复合顶板上行开采、上行开采基本层间距与区间划分等可行程度的判别方法、合理时空关系等，并通过工业性试验取得了显著的技术与经济效果，为改变矿区开采程序、采掘部署及上行开采设计提供了理论与实践依据。

1.2.2新汶矿区深井近距煤层复合顶板上行开采研究的必要性新汶矿区孙村、良庄、协庄、翟镇、鄂庄等矿井，二、三、四层煤下行开采中存在着诸多弊端，严重制约着矿区高产高效生产与安全生产水平，研究与试验深井近距煤层复合顶板的上行开采技术，已成为新汶矿区的紧迫需要。

而深井近距煤层复合顶板上行开采效应与机理、上行开采可行程度判别、适用条件、开采程序优化、合理时空关系、安全技术措施、上行开采的合理性等一系列理论与技术问题，关系到矿井开采程序、采掘部署、上行开采设计、安全高效生产等大局，急待进行深入系统的研究与试验。

项目研究与试验工作在孙村煤矿进行，目前孙村煤矿已进入深部-800水平开采，-800水平的埋深为980m。

井田内上组煤的主采煤层为二、四层煤，煤层倾角一般为19~240，二、四层煤层间距平均为22m，二层煤厚度0.7~4.0m，平均3.0m，四层煤厚度1.07~2.32 m，平均1.79m。

三层煤部分区域可采，煤层厚度0.69～1.23m，平均0.93m，与二层煤的层间距为3～7m，平均5m。

下行开采中存在以下四个方面的突出问题，必须研究上行开采与煤层开采程序。

1）深井复合顶板巷道支护状况迫切需要研究上行开采孙村煤矿二层煤为典型的复合顶板条件，如3218、3219工作面煤层下位厚度一般为2.6~2.8m左右，中部含有厚度为0.4~0.6m左右夹矸，上位煤厚0.3~0.4m 左右，工作面和巷道沿煤层底板布置，形成了下软上硬的复合顶板。

在深井高地压作用下，巷道复合顶板变形破坏十分严重，巷道支护难度大，维护状况差，巷道维护工作量大，一直未能得到有效的解决，制约着矿井生产效率与经济效益的提高。

研究和试验上行开采程序，可以通过降低二层煤的应力水平，降低巷道支护与维护难度，显著改善巷道支护效果。

2）矿井产量及深井复合顶板管理状况迫切需要研究上行开采二层煤夹矸稳定性差，工作面托顶煤开采，在深井高地压作用下复合顶板工作面顶板管理复杂，推进速度慢，明显制约着四层煤工作面的推进速度。

而四层煤顶底板一般均为细砂岩，巷道支护与顶板管理状态比较好，工作面推进速度快。

而且，四层煤含硫量低、灰分低，煤质好，二层煤含硫量高，灰分高。

因此，二层煤深井复合顶板控制状况，不仅严重影响着二层煤开采的技术效果和经济效益，而且明显制约着矿井生产能力与产量及煤质。

研究和试验上行开采程序，不仅可以大幅度提高矿井产量和煤质，而且有可能通过降低二层煤开采时的应力水平，显著地改善二层煤工作面的顶板管理状况。

3）矿区冲击地压防治十分需要研究和试验上行开采根据孙村煤矿冲击倾向性试验结果：二层煤属强烈冲击倾向，二层煤顶板属中等冲击倾向；四层煤属中等冲击倾向，四层煤顶板无冲击倾向。

即采掘过程中二层煤的冲击地压危险程度远大于四层煤，尤其是下行开采时二层煤的危险性更大。

研究和试验上行开采，一方面可以降低二层煤及其顶板的冲击倾向性，另一方面又可以明显降低二层煤采动应力水平，从而必将可以显著地降低二层煤采掘过程中的冲击地压危险性。

4）矿区底板岩巷跨采维护和二层煤复采应当研究和试验上行开采由于二层煤深井复合顶板条件下巷道支护与工作面顶板管理问题十分突出，工作面推进速度慢，对底板岩巷的跨采维护十分不利，为此，孙村煤矿—800水平井底车场及东大巷采用四层煤4418、4419工作面跨采维护。

由此形成了上位二层煤能否再行开采的上行开采问题，即4218、4219工作面可否上行开采，4218开采与不开采对井底车场有何影响，4219工作面如何布置等问题。

因此，研究和试验上行开采是深井底板巷道跨采维护和二层煤煤炭资源复采回收的需要。

1.3 课题研究的意义本项目研究揭示深井近距煤层上行开采的中硬覆岩裂隙亚分带规律、覆岩结构分带规律、岩层结构平衡条件，可阐明近距煤层上行开采机理；研究建立上行开采基本层间距、区间划分、合理时空参数，可为上行开采的可行程度预测、开采程序优化、上行开采设计提供设计决策依据。

在上行开采理论与技术方法上取得重要突破，为深井近距煤层上行开采提供理论与实践依据。

深井近距煤层复合顶板上行开采技术的研究与试验，对孙村煤矿及新汶矿区具有重要的现实意义。

1）研究和试验上行开采，解决下行开采时二层煤工作面推进速度慢，制约四层开采和矿井采掘接替问题，可同时实现四层煤、二层煤的高效开采，大幅度提高矿井和矿区的高产高效生产水平。

2）研究和试验上行开采，降低二层煤采动应力水平，有效地解决二层煤复合顶板巷道支护与工作面顶板管理方面多年未能有效解决的难题，大幅度提高二层煤开采的技术效果和经济效益。

3）研究和试验上行开采，可以显著降低具有强烈冲击倾向性的二层煤开采中的冲击地压危险程度，有效地防治冲击地压灾害，大幅度提高矿井和矿区的安全生产水平。

4）研究和试验上行开采，有利于深井高地压底板巷道跨采维护，实现二层煤煤炭资源的复采，提高矿井投资效益和资源回采率。

5）深入系统地研究深井近距煤层上行开采的一系列理论与技术问题，优化二、三、四层煤开采程序，可为矿井和矿区采掘部署、上行开采设计与安全生产提供可靠的依据，实现深井近距煤层的合理上行开采，推进孙村深部矿井及新汶矿区生产技术效果和高产高效生产水平的大幅度提高。

1.4 主要研究内容项目以新汶矿区孙村煤矿—800水平二、四层煤为工程背景，针对深井近距煤层中硬覆岩的工程地质特点，研究其上行开采的机理与主要技术问题，并进行井下工业性试验。

主要内容如下：1) 深井中硬覆岩裂隙发育分带特征的井下探测研究近距煤层上行开采的可行性主要取决于下位煤层采厚、层间距、层间岩性等关键因素。

下位煤层先行开采后，覆岩裂隙发育的分带特征是分析确定近距煤层复合顶板上行开采可行程度的主要依据。

为此,在3218、3219工作面中间巷内向底板中打3个观测钻孔，采用双端堵水测漏技术测定覆岩裂隙发育的分带特征和冒落带高度，综合分析裂隙的亚分带发育规律。

2) 深井近距煤层复合顶板上行开采覆岩运动与结构状态的物理模拟下位煤层开采后，上位煤层及其顶板结构完整、不发生台阶错动是上行开采的前提。

为此，采用物理模拟方法，模拟研究上行开采的覆岩与煤层的移动变形与结构状态，为四层煤工作面后续开采的井下工业性试验提供依据。

根据相似理论，把握深井倾斜近距煤层特点，在实验室制作平面相似材料实验模型,直观模拟展现上行开采过程，分析研究下位煤层开采后的覆岩运动与结构状态、二、三层煤及顶底板结构特征、覆岩结构的分带特征及规律、二层煤复合顶板上行开采的可行性。

3) 深井近距煤层上行开采应力分布与作用效应的计算模拟深井近距煤层上行开采对高地压危害卸压作用效果，是实行上行开采方式的主要目的。

为此，采用有限元计算机数值模拟研究方法，研究上行开采的应力分布与作用效应，为上行开采的卸压保护机理分析、开采设计及安全技术提供依据。

有限元数值模拟研究采用从日本软脑公司引进的2D- 有限元软件进行，研究提供下位煤层开采后的应力分布、卸压保护范围、对上位煤层的采动作用效应、上位煤层开采时应力分布与上行卸压机理、煤柱影响区工作面应力状态与危险性评价。