張萬(wàn)昂 李?lèi)?ài)斌 趙元 王安國(guó)

摘要：針對(duì)潞安集團(tuán)李陽(yáng)煤業(yè)有限公司煤層賦存的特點(diǎn)，利用比值判別法、“三帶”判別法、圍巖平衡法等方法對(duì)綜采放頂煤上行開(kāi)采進(jìn)行可行性分析，得出了李陽(yáng)煤業(yè)有限公司采用上行開(kāi)采在技術(shù)上可行，安全上可靠，并能取得良好的經(jīng)濟(jì)效益的結(jié)論。為李陽(yáng)煤業(yè)上行開(kāi)采提供了可靠的理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：上行開(kāi)采 比值判別法 “三帶”判別法 圍巖平衡法等 可行性

開(kāi)采煤層群時(shí)，各煤層的開(kāi)采順序有下行式和上行式兩種，通常采用下行式開(kāi)采順序，因?yàn)橄炔缮蠈用汉蟛上聦用?，上層一般?duì)下層沒(méi)有什么影響或影響甚小，但在特定的地質(zhì)和開(kāi)采條件下，可以采用上行式開(kāi)采。如上煤層有突出危險(xiǎn)性，采用上行式開(kāi)采順序可減輕突出危險(xiǎn)性、上部煤為劣質(zhì)或不穩(wěn)定煤層，下部煤質(zhì)優(yōu)良，先行開(kāi)采下部煤層可減少初期投資，提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益等。但如果層間距不是很大，下層煤開(kāi)采后，會(huì)對(duì)上層煤產(chǎn)生影響和破壞，嚴(yán)重時(shí)，上層煤不能開(kāi)采。因此，采用上行式開(kāi)采時(shí)要進(jìn)行可行性分析，并采取安全技術(shù)措施。

1 礦井概況

李陽(yáng)煤業(yè)為單獨(dú)保留礦井，原生產(chǎn)能力為30萬(wàn)噸/年，現(xiàn)進(jìn)行礦井機(jī)械化升級(jí)改造，改造后礦井生產(chǎn)能力為120萬(wàn)噸/年，礦區(qū)面積為17.0321平方公里，批準(zhǔn)開(kāi)采8#～15#煤層，其中8、9、14、15號(hào)煤為可采煤層。8號(hào)煤資源儲(chǔ)量43.471Mt，9號(hào)煤資源儲(chǔ)量24.746Mt，14號(hào)煤資源儲(chǔ)量8.010Mt，15號(hào)煤資源儲(chǔ)量121.065Mt，15號(hào)煤資源儲(chǔ)量大，占全礦井資源總量的61.36%，為主采煤層。可采煤層具體參數(shù)見(jiàn)表一。

表一 開(kāi)采煤層特征參數(shù)

■

由于8號(hào)煤為結(jié)構(gòu)復(fù)雜的局部可采煤層，9號(hào)煤為平均厚僅1.54m的大部分可采煤層，14號(hào)煤為賦存不穩(wěn)定的局部可采煤層，15號(hào)煤全區(qū)可采，且為厚煤層，先開(kāi)采15號(hào)煤可以減少初期投資，緩解投資壓力，使礦井迅速達(dá)到設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力，故初步設(shè)計(jì)采用上行開(kāi)采的開(kāi)采順序，14、15號(hào)煤層間距較近，局部的14號(hào)煤可利用布置在15號(hào)煤層的巷道開(kāi)采。即礦井前期開(kāi)采14、15號(hào)煤層，后期開(kāi)采8、9號(hào)煤層。

2 上行開(kāi)采可行性論證

根據(jù)我國(guó)上行開(kāi)采的時(shí)間和研究，影響上行開(kāi)采的主要因素有層間距、采高、采煤方法、巖層巖性、煤層傾角、間隔時(shí)間等。上下煤層層間距大小是影響上行開(kāi)采的最主要技術(shù)因素。煤層層間距越大，上覆巖（煤）層移動(dòng)越平緩，產(chǎn)生的傾斜、曲率等各種變形值則越小，越有利于上行式開(kāi)采。反之，如果上下組煤層間距較近，上行開(kāi)采會(huì)造成上覆巖層移動(dòng)劇烈，甚至冒落性破壞，導(dǎo)致上組煤無(wú)法開(kāi)采。因此確定安全合理的上行開(kāi)采層間距，是研究上行開(kāi)采的首要問(wèn)題。目前主要采用比值判別法、“三帶”判別法和圍巖平衡法等方法進(jìn)行分析[1]。

2.1 比值判別法 用采動(dòng)影響倍數(shù)K進(jìn)行分析，即K為上下煤層之間層間距與下煤層采厚的比值。當(dāng)下部開(kāi)采一個(gè)煤層時(shí)： K=■

式中：H——上下煤層之間的垂距，m；M——下層煤采高，m。

根據(jù)我國(guó)上行開(kāi)采的生產(chǎn)實(shí)踐及研究證明，當(dāng)比值K>7.5時(shí)，先采下部煤層可以不影響在上煤層內(nèi)進(jìn)行正常準(zhǔn)備和回采。李陽(yáng)煤業(yè)14號(hào)煤為局部可采煤層，14號(hào)煤與15號(hào)煤聯(lián)合布置可視為同一煤層。15號(hào)煤層厚度4.65m～8.60m，平均厚度5.76m，采用綜采放頂煤方法開(kāi)采，工作面采煤機(jī)割煤高度2.5m，回采率為95%，放頂煤高度2.26m，回采率為80%，則實(shí)際采高為：

m=2.5×0.95+2.26×0.8=4.98m

9號(hào)煤層至15號(hào)煤層之間的距離62.69-85.19m，平均64m，則K=64/4.98=12.85，遠(yuǎn)大于7.5。

2.2 “三帶”判別法 當(dāng)煤層群中的下部煤層開(kāi)采后，其上部巖層將受到不同程度的破壞，根據(jù)破壞程度不同，可依次分為跨落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶。當(dāng)上下煤層之間的距離小于或等于下煤層的跨落帶高度時(shí)，上層煤形態(tài)將遭到嚴(yán)重破壞，無(wú)法進(jìn)行上行開(kāi)采；當(dāng)上下煤層的層間距大于跨落帶高度小于或等于裂隙帶高度時(shí)，上煤層形態(tài)只發(fā)生中等程度的破壞，采取一定安全措施后，可正常進(jìn)行上行開(kāi)采；當(dāng)上下煤層的層間距大于煤層的裂隙帶高度時(shí)，上層煤只發(fā)生整體移動(dòng)，形態(tài)不受破壞，可正常進(jìn)行上行開(kāi)采。

①15號(hào)煤開(kāi)采后的跨落帶高度

按照單一煤層計(jì)算：H=（m-W）[（k-1）×cosα]

式中：W——冒落過(guò)程中頂板的下沉值，m，取W=0.1m；k——冒落巖石碎脹系數(shù)，取k=1.4；α——煤層傾角，15號(hào)煤平均傾角為7°。

計(jì)算可得H=（4.98-0.1）/[（1.4-1）×cos7°]=12.29m

②15號(hào)煤開(kāi)采后的裂隙帶高度

按照《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采規(guī)程》推薦公式計(jì)算。

a計(jì)算公式一

H=100∑m÷（1.6∑m+3.6）+5.6

=100×5.76/（1.6×5.76+3.6）+5.6=50.6m

b計(jì)算公式二

H=20■+10=20■+10=58.2m

開(kāi)采15號(hào)煤后的裂隙帶高度為58.2m，9號(hào)煤層至15號(hào)煤層之間的距離在62.60～85.19m，大于裂隙帶高度。

c根據(jù)《采礦工程技術(shù)手冊(cè)》推薦上行開(kāi)采層間距計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算[2]：H>1.14m2+4.14+Δm

式中：H——最小層間距；m——下部煤層采厚，m；Δm——安全系數(shù)，取1.0m。

根據(jù)實(shí)際情況，代入計(jì)算可得H>33.4m。

從上述計(jì)算結(jié)果可以看出，9號(hào)煤層位于開(kāi)采15號(hào)煤層的裂隙帶上方，上行開(kāi)采是可行的、安全的。

2.3 圍巖平衡法 上行開(kāi)采破壞了采場(chǎng)上覆巖（煤）層的原始應(yīng)力平衡狀態(tài)，引起上覆巖（煤）層的橫向及縱向變形與破壞。上覆巖（煤）層的橫向與縱向離層變形產(chǎn)生大量采動(dòng)裂隙，破壞煤層，但隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，采動(dòng)裂隙會(huì)重新閉合壓實(shí)；而縱向剪切變形則會(huì)使煤層發(fā)生臺(tái)階錯(cuò)動(dòng)，破壞煤層整體性，給采煤帶來(lái)困難。后者是影響上行開(kāi)采的最大障礙?？梢酝ㄟ^(guò)研究采場(chǎng)圍巖力系平衡問(wèn)題來(lái)控制巖層臺(tái)階錯(cuò)動(dòng)。上下煤層間巖層的巖性及巖層的結(jié)構(gòu)是控制采動(dòng)影響的重要因素，當(dāng)層間距較大，層間巖性較堅(jiān)硬，或巖層有韌性時(shí)，上部煤層受到的破壞影響是很小的[3]。15號(hào)煤層頂板為泥巖、砂質(zhì)泥巖，其上有厚度7.6m的K2石灰?guī)r，形成了軟硬巖層相間的結(jié)構(gòu)，比較有利于上行開(kāi)采。上行開(kāi)采必要的層間距可按下式估算：H>■+h

式中M——下層煤采高，m；K1——巖石碎脹系數(shù)，K1=1.10～1.15，取1.10；h——平衡巖層本身厚度，為7.6m。計(jì)算可得H>57.4m，9號(hào)煤層至15號(hào)煤層之間的距離在62.60～85.19m，位于平衡巖層之上，證明上行開(kāi)采是可行的。

2.4 回采時(shí)間間隔 根據(jù)我國(guó)上行開(kāi)采經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于中硬及軟巖層，一般上層煤受下部煤層采動(dòng)劇烈影響期為4～6個(gè)月，對(duì)于堅(jiān)硬巖層則更長(zhǎng)些，可達(dá)1～2a。李陽(yáng)煤業(yè)15號(hào)煤層的服務(wù)年限為36.0a，開(kāi)采9號(hào)煤層時(shí)，完全避開(kāi)了15號(hào)煤的采動(dòng)影響期。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上幾種方法的分析和計(jì)算，李陽(yáng)煤業(yè)9號(hào)煤與15號(hào)煤的層間距完全滿足上行開(kāi)采的條件。15號(hào)煤采用綜采放頂煤的方法開(kāi)采，采凈程度較高，只要煤柱留設(shè)合適，合理布置開(kāi)采邊界，就不會(huì)對(duì)上層煤開(kāi)采造成困難。同時(shí)開(kāi)采9號(hào)煤時(shí)，避開(kāi)了開(kāi)采15號(hào)煤的采動(dòng)影響期。因此，李陽(yáng)煤業(yè)采用上行開(kāi)采是安全可行的。

參考文獻(xiàn)：

[1]徐永圻，申通生，王慶康等.煤礦開(kāi)采學(xué)[M].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，1999.

[2]張榮立，何國(guó)緯，李鐸等.采礦工程設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].煤炭工業(yè)出版社，2003.

[3]韓加紅.煤層上行開(kāi)采可行性分析[J].煤炭科技，2014，2：37-

38.

作者簡(jiǎn)介：張萬(wàn)昂（1988-），男，河南鄧州人，助理采礦工程師，畢業(yè)于黑龍江科技大學(xué)，從事生產(chǎn)技術(shù)管理工作。