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1、文学宽 研究员 煤炭科学研究总院 2010.5,煤层群上行开采技术,1.煤层群上行开采概述,1.1.煤层群的开采顺序煤层群按下行式开采顺序是开采的一般技术原则，也是生产矿井常用的开采方法。但在特殊地质和开采条件下，上行式开采顺序在技术、经济或安全方面可能优于下行式开采顺序时，采用上行开采是可以的。,所谓上行式开采顺序：就是煤层间、厚煤层分层间及煤组间先采标高低的煤层、分层或煤组，后采标高高的煤层、分层或煤组。按开采顺序可分为：煤层间上行式开采；分层间上行式开采；煤组间上行式开采。,上行式开采顺序示意图(a)先采m2煤层，后采m1煤层，煤层间上行开采； (b)先采第3分层，而后采第2分层，最后采
2、第1分层，分层间 上行开采； (c)先采第组煤层，后采第组煤层，煤组间上行式开采,1.2 上行式开采方法在上行式开采顺序条件下，根据煤层开采后采空区的处理方式，其开采方法：煤层群垮落上行开采；厚煤层分层恒底式上行开采；,厚煤层分层水砂充填采煤法开采时，各分层间必须采用上行式开采顺序。因为只有这样，后采的各个分层的顶板才是完整的实体煤，而不是松散的充填材料。,2. 国内外煤层群上行开采概况2.1.波兰上行开采的实践经验 把上、下煤层之间的层间距(H)与下煤层采高(M)之比(K)称为采动影响倍数。（1）当下部开采一个煤层时，采动影响倍数K6时，可成功进行上行开采；当K6时，上煤层受到不同程度的严重
3、破坏，不能进行上行开采。,(2) 当下部开采多个煤层时，综合采动影响倍数Kz=6.3时，可成功进行上行开采；当Kz10时，上行开采成功；当K8时， 上层煤正常开采。（3）开采缓倾斜和倾斜煤层时，在层间距为18-85m的情况下，上、下煤层开采的间隔时间为3-12个月。开采急倾斜煤层时，在层间距为8-70m的条件下，上、下煤层开采的间隔时间为3-10个月.。,2.3.我国煤层群上行开采概况我国鸡西城子河煤矿建于1938年。由于开采技术条件等因素，先采了中部层组的25号煤，后采上部层组的29号、36号、42号煤层，形成了上行式开采顺序，沿用至今。,70年代，煤层群上行开采引起了我国采矿界广泛的关注和
4、研究，并有计划的进行了试采。80年代，上行开采技术巳用于煤矿设计、矿井技术改造及老矿区的复采工作中，特别是地方煤矿复采老矿井采空区上方丢弃的煤炭资源，并获得了丰富的实践经验。,2.上行式开采的适用条件2.1 上行开采技术经济合理其先决条件是：先采下部的煤层不会破坏上部煤层的完整性和连续性，且能给矿井带来较大经济效益。（1）上部煤层为劣质煤、薄煤层或不稳定煤层，开采困难，长期达不到矿井设计能力，可先采下煤层；,（2）下部煤层为厚煤层，开采设备利用率、经济效益和矿井达产期因开采顺序不同而差别很大；（3）上部煤层开拓困难，需要巨额投资，下部煤层开拓容易，且上下煤层间距较大；,（4）下部煤层为国家急需
5、的煤种；（5）建筑物、水体及铁路下压煤，有时需要采用先采下部煤层。,2.2 上行开采安全上优越（1）当上部为煤与瓦斯突出危险煤层时，先将下部煤层作为解放保护层开采,可减轻或消除上煤层的煤与瓦斯突出危险,确保矿井安全生产；（2）上部煤层含水丰富，先采下部煤层有利于疏水；,（3）当上部煤层的顶板为坚硬顶板，煤质坚硬不易采出时,采用上行开采,可消除或减轻上煤层开采时发生的冲击地压和周期来压强度,可减轻地质构造应力的影响（4）采用条带采煤法开采有一定层间距的多层煤层，为使保留条带不受重复开采影响；（5）复采采空区上部遗留的煤炭资源。,2.3. 上行开采的其他原因（1）地质勘探不详，在已采煤层上部又发现
6、了可采煤层。（2）设计时把薄及不稳定煤层划分为不可采煤层，生产过程中又发现可采， 但已来不及布置采煤工作面，只好丢弃了上部煤层而采下部煤层。（3）因生产任务及经济效益，必须先开采下部主采煤层，而主采煤层与上部非主采煤层在空间上的开采错距未拉开，只好注销上部非主采煤层的部分储量。 、,（4）因下行开采顺序与采区布署和生产能力之间产生矛盾，而丢弃了上部非主要煤层的部分储量。（5）解放前，帝国主义对我国煤炭资源进行掠夺式开采，使上部非主采煤层大量丢弃。,对于上述丢弃的煤炭资源，只需增加少量巷道工程量，就可以回收，特别是对于一些储量不足的老矿区或矿井，利用已有井巷和设备开采这些遗弃的煤炭资源，对于延长
7、矿区和矿井寿命，具有重要的现实意义。,3.影响煤层（群）上行开采的主要因素3.1 煤层间距煤层（群）上行开采的生产实践及科学研究证明，足够的层间距是上行开采的基本条件。上、下煤层的层间距（或H/M）越大，上覆煤层移动越平缓，倾斜、曲率等各种变形值越小，越有利于上行开采。反之，层间距（或H/M）越小，上覆煤层变形愈剧烈，甚至出现台阶下沉。,采场上覆岩层的垮落性破坏及台阶错动是影响上行开采的最大障碍。当上、下煤层的层间距大于下煤层的垮落带最大高度时，上煤层发生台阶错动的机率就小，采取一定技术措施，一般可以上行开采。,3.2 下煤层采高下煤层采高是影响上覆岩层破坏范围及其破坏高度的根本因素。采高越大
8、，采出的空间越高，采场上覆岩层结构可能获得平衡的机率就越小，势必导致采场上覆岩层的严重破坏。一般采高越大，上煤层的下沉越大，各种变形值也增大。,3.3 下部煤层开采覆岩破坏最大高度下部煤层开采后，覆岩产生破坏，其破坏范围及破坏的最大高度直接构成对上部煤层的开采，特别是对近距的上部煤层开采的影响更大。因此，下部煤层开采后覆岩破坏最大高度是决定上行能否安全开采的关键之一。,4.缓倾斜煤层垮落上行顺序开采的判别方法上下煤层之间的层间距和下位煤层的采厚是影响上行开采顺序的主要技术因素，若下位煤层采厚较大，且上下煤层的间距不是很大，下位煤层先采后，一般都会对上煤层产生影响和破坏，严重时，上煤层不能开采。
9、因此，煤层间或煤层群间能否采用上行顺序开采的各种判别方法都是围绕层间距和采厚进行的。,4.1 .比值判别法上下煤层层间距与下煤层厚度的比值K计算如图6-7：式中 K上下煤层层间距与下煤层采厚的比值；H上下煤层层间距，m；M2下位m2煤层的采厚，m。,我国垮落上行顺序开采的生产实践和研究证明，当比值K7.5时，先采下位m2煤层后，在上位m1煤层中可以进行正常采掘活动。,图6-7 两层煤层上行顺序,2）多层煤间的判别有n+1层煤层，m1煤层之下有n层煤，当先采下部n层煤时，用综合比值Kz判别，如图6-8和（6-2）式。,（6-2）,式中 Kz综合比值；,H1、H2HnM2、M3、Mn+1煤层分别与
10、M1煤层的距离，m；M2、M3Mn+1分别为m 2、m 3 m n+1煤层的厚度，m。我国垮落上行顺序开采的生产实践和研究表明，当综合比值Kz6.3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。,4.2 “三带”判别法4.2.1. “三带”判别法的基本观点当上位煤层位于下位煤层开采引起的垮落带之内时，上位煤层的结构遭到严重破坏，下位煤层先采后上位煤层无法开采；,当上位煤层位于下位煤层开采引起的断裂带之内时，上位煤层的结构只发生中等程度破坏，下位煤层开采后，采取一定技术和安全措施，上位煤层可以开采；当上位煤层位于下位煤层开采引起的断裂带之外时，上位煤层只产生整体移动，结构不
11、受破坏，下位煤层开采后，上位煤层可以正常开采。,4.2.2.覆岩“三带”型破坏垮落带和断裂带高度长壁工作面煤层采出采用全部垮落法处理采空区，从煤层直接顶板开始，由下向上依次垮落、开裂、离层、弯曲,经过若干时间终止移动。移动期间和移动稳定后的上覆岩层，按其破坏程度的不同，大致可分为垮落带、裂隙带、弯曲带。,(1) 垮落带破坏特征a 不规则性垮落带下部为不规则垮落。垮落 带内岩块不能传递水平力，控顶范 围内垮落带的岩层重量由支柱或支 架支撑。b 膨胀性岩石的碎胀性使垮落带岩石的体 积增大，使垮落带与未垮落顶板岩 层下方的自由空间逐渐变小，使垮 落不再继续。c 高度控制因数 垮落带与煤层采厚、上覆岩
12、层岩 性、碎胀系数、煤层倾角和直接顶 厚度。,(2) 断裂带破坏特征垮落带之上的和整体移动 带之间的岩层产生断裂或裂缝。其特点：岩层破坏有规则；无论是垂直岩层面或平行岩层面的 裂缝均使岩层保持原有的层状；破坏程度分带明显；裂隙带在垂直剖面上分为：严重 断裂、一般开裂和微小开裂。破坏高度与开采条件关系：破坏高度随开采空间扩大而向上发展， 达到最大高度之后，不再发展，并随时间 推移，岩层趋于稳定。上部裂隙逐渐闭合 ，其高度随之降低；重复采动减弱破坏程度：厚煤层第一分层以后的分层开采 时，裂隙带高度上升的幅度和初次采 动减小。,(3) 弯曲带破坏特征裂隙带上界至地表的岩层称为弯曲带，曾称弯曲下沉带或
13、整体移带。其特点：垂直弯曲、水平受压、隔水性增强岩层在自上而下沿层面法向弯曲，在水平处于双向受压，当岩性较软时，隔水性能增强。岩层完整不存在破坏岩层移动连续有规律，保持整体性和层状结构，不存在或极少存在离层裂隙。地表形成下沉盆地盆地边缘要出现 长裂隙，其深度3-5m， 一般小于10m。裂隙 宽度向下渐窄，至一 定深度后闭合消失。,4.2.3 覆岩“三带”型破坏的最终形态覆岩“三带”型破坏形态不仅决定覆岩的破坏范围，而且决定破坏的最大高度。以前认为采场与掘进巷道的覆岩破坏形态类似，均为中间高、四周低的拱形形态。通过现场实测：长壁全陷开采缓倾斜煤层，当工作面初次放顶后，一般不再出现垮落拱，其形态与
14、煤层倾角有关。按倾角划分为3种态：近水平、缓倾斜煤层：0-35；中倾斜煤层：36-54；急倾斜煤层：55-90。,(1) 近水平、缓倾斜煤层覆岩破坏最终形态（0 35）,裂隙带两端边界一般会超出开采边界，呈马鞍形。其特点：采空区四周边界略高。中间较低，两端较高，最高位于采空区斜方。采空区中央破坏高度一致。采空区面积相当大，且采厚大体相等时，中央破坏高度基本一致。马鞍形产生原因：煤层倾角小。开采边界区和采区 中央区的变形值不同。工作面端部和中部 下沉量和下沉速度不一样。,冒落角、导水裂隙角大于岩层移动角,(2) 中倾斜煤层覆岩破坏范围最终形态（36 54）,产生原因：当煤层倾角为36-54时，采
15、后垮落岩块落到采空区底板后，向采空区下部滚动，使采空区下部被垮落岩块填满，从而不再继续垮落。而采空区上部，由于垮落岩块的流失，等于增加了开采空间，故破坏高度大。,垮落带、裂隙带破坏范围在倾斜方向上呈上大下小的抛物线拱形形态。但在走向方向上仍为马鞍形形态。,(3) 急倾斜煤层覆岩破坏范围最终形态（55 90）垮落带呈耳形或上大下小的不对称拱形，裂隙带形状与垮落带类似。,其特点： 破坏性影响更加偏向于采空区上边界； 破坏范围有顶板、底板及所采煤层本身； 随煤层倾角的加大，垮落带、裂隙带范围逐渐转变为椭圆拱形形态。 产生原因：开采倾角较大的急倾斜煤层时，由于垮落带岩块滚动下滑加剧，迅速充填采空区下部
16、空间，限制了下部的垮落带和裂隙带向上发展。采空区上部、边界煤柱片帮、破碎、抽冒，使垮落带和裂隙带急剧向上发展。,4.2.4.覆岩破坏范围及最大高度(1) 影响覆岩范围最大高度的主要因素1)岩性软硬程度覆岩直接顶和基本顶都比较坚硬的条件下，下沉量小，使垮落过程充分发展，覆岩破坏高度大。而软弱岩层顶板松软破碎，随采随落，采空区易充满，覆岩下沉量大，覆岩破坏变化小。为了便于进行覆岩破坏最大高度的计算，按覆岩单向抗压强度划分为4类。,2) 采高及厚煤层分层次数一次采全高或厚煤层分层初次开采时“两带”高度与采高呈近似直线关系，水平至倾斜厚煤层分层开采或近距离煤层群重复开采条件下“两带”高度随分层次数的增加呈分式函数的关系增长，其增加的幅度越来越小。,
