近距离煤层群上行开采机理分析与工程应用.pdf

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近距离煤层群上行开采机理分析与工程应用
马立强1，2，汪理全1，张东升1，2，刘江1，3，欧阳广斌4
1中国矿业大学能源与安全工程学院，江苏徐州（221008）
2教育部矿山开采与安全重点实验室，江苏徐州（221008）
3、内蒙古伊泰煤炭股份有限公司，内蒙古鄂尔多斯（017000）
4、平煤集团四矿，河南平顶山（467000）
E-mail：[e-mail]
摘要：在分析近距离煤层群上行开采机理与主要影响因素的基础上，针对传统煤层群上行
开采判别方法的局限性，对上位煤层的覆岩状况与上行开采的关系进行了阐述。给出了平顶
山四矿近距离薄煤层群和内蒙古酸刺沟煤矿厚煤层群上行开采的工程实例，并确定了上行开
采的关键技术措施。理论分析、数值模拟和工程实践证明，上位煤层覆岩岩性及结构对上行
开采有影响。研究成果扩大了近距离煤层群上行开采的应用范围，对衰老矿区遗留煤炭资源
的回收和特大型现代化新型矿区的开发规划及西部矿区的生态环境保护都具有重要的意义。
关键词：近距离煤层群；上行开采；上位煤层覆岩；判别方法
中图分类号：TD325
1.引言

上下煤层之间的层间距和下位煤层的采厚是影响上行顺序开采的主要技术因素，采矿工
程师研究上行开采时，常把上、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，当下部开采多个煤层时，综合采动影响倍数称为KZ。基于此，目前国内关于煤层
间或煤层群间能否采用上行式开采的各种判别方法，基本都围绕层间距和下位煤层采厚进
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行。即通过对已成功的上行开采实例进行研究，获取不同开采条件下K和KZ的临界值。
因此，研究仅局限于需要上行开采的上位煤层的下伏岩层，而没有对上位煤层的覆岩状况与
上行开采的关系进行研究。本文先对上行开采的其主要影响因素进行系统的分析，并对现行
的上行开采可行性判别方法进行了评述，阐述了上行开采机理，进而结合工程实例对上位煤
层覆岩岩性及其结构与近距离煤层群上行开采可行性的关系进行了阐述。
2.近距离煤层群上行开采机理

2.1采场上覆岩层裂隙场发展规律

上行开采破坏了采场上覆岩（煤）层的原始应力平衡状态，引起岩体应力重新分布。当
重新分布后的应力超过岩（煤）极限强度时，必然引起上覆岩（煤）层的横向及纵向变形与
破坏。上覆岩（煤）层的横向及纵向离层变形主要产生大量采动裂隙，破坏煤层，但随时间
延长，此采动裂隙会重新闭合压实。而纵向剪切变形则表现为煤（岩）层发生台阶错动，破
坏煤层结构，这是影响上行开采的根本障碍。控制煤（岩）层纵向台阶错动，就是采场围岩
力系平衡问题。因此，研究层间岩性及其形成平衡岩层结构的条件，是研究上行开采机理的
基本方法之一。
2.2围岩平衡机理

由采场上覆岩层破坏及移动规律可知，采场上覆岩层体在垂直方向上可分为垮落带、断
裂带及弯曲下沉带。从围岩平衡的观点可分为非平衡带（即垮落带）、部分平衡带（相当于
断裂带下位岩层）、平衡带（相当于断裂带下位岩层之上的岩层）。沿走向可分为原始应力

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区、煤壁支撑区、离层区、重新压实区及稳定区。在煤壁支撑区内，下有采面煤壁及其上方
岩体所支撑，故上部水平拉伸及下部压缩变形剧增；在离层区，铅垂方向受拉伸，故上下离
层变形最充分；而在重新压实区内，顶板下沉被采空区矸石所支撑，故采动裂隙重新闭合压
实。从而说明断裂带岩层在下沉过程中岩块间相互咬合可形成“采面煤壁及其上方岩体－采
空区跨落矸石”为支撑体系的平衡岩层结构。平衡岩层结构能阻止上覆岩（煤）层纵向台阶
错动。因此，当上煤层位于距下煤层最近的平衡岩层之上时，即可上行开采。
2.3围岩平衡高度

设从下煤层顶板至平衡岩层顶板的高度叫围岩平衡高度。围岩平衡高度一般用下式求
算：
M
Hphp
K11
式中M——下煤层采高，m；

hp——平衡岩层本身的厚度，m；

K1——距煤壁L(周期来压步距)处的岩石碎胀系数。
此式表面上看来关键是与下位煤层采高和煤层间岩层的性状有直接关系，但不能忽略岩
石碎胀系数的大小与矿山压力有很大的关系。即煤层间平衡结构的形成除与煤层间岩性和下
位煤层采高紧密相关外，还与上位煤层覆岩条件有关。在设定岩石碎胀系数时一定要考虑上

位煤层的覆岩条件对周期来压的影响。因此，在考虑上行开采可行性时，不能只将K和KZ
的临界值来作为判断依据，必须考虑上位煤层覆岩岩性与结构。
3.上行开采影响因素与判别方法分析

上行开采能否成功取决于是否有足够层间距，下文结合上行开采影响因素和判别方法，
阐述上位煤层覆岩岩性与结构对必要层间距的影响。
3.1上行开采的主要影响因素

传统研究方法认为上行开采的主要影响因素为：层间距、