周保平

0 引言

因國(guó)家資源整合，中小型煤礦兼并改造政策的實(shí)施，要求許多小型礦井合并重組，并且同一區(qū)域合并后的礦井需更好地規(guī)劃開采，提高資源的利用率。目前，整合后的煤礦存在蹬空儲(chǔ)煤量，但該區(qū)域受到其他區(qū)域的影響，可能出現(xiàn)整體彎曲下沉、裂隙發(fā)育增加等現(xiàn)象，將會(huì)進(jìn)一步增加巷道掘進(jìn)及工作面回采中頂板管理的難度。荷蘭、澳大利亞、美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家做過一些關(guān)于蹬空采煤的研究，但僅限于載荷強(qiáng)度理論計(jì)算，僅能起到輔助作用。所以，有必要根據(jù)黃土坡現(xiàn)有情況，對(duì)蹬空開采的可行性進(jìn)行進(jìn)一步研究，用以提高資源利用率。

1 蹬空開采概述

煤礦開采順序一般是按照煤層分布從上至下開采，即下行開采，采空區(qū)在現(xiàn)采煤層上方。但是由于裝備技術(shù)、采煤技術(shù)及生產(chǎn)投資等原因，有時(shí)候會(huì)優(yōu)先采掘煤炭賦存條件好，煤質(zhì)好及水、瓦斯、圍巖狀況好的煤層，人為放棄一部分上層煤層。隨著采煤技術(shù)、設(shè)備及市場(chǎng)環(huán)境和資源儲(chǔ)量的減少，往往需要回采以前放棄的一些上層煤炭資源。這種先采標(biāo)高低的煤層，后采標(biāo)高高的煤層的方法稱為上行開采，即蹬空開采[1]。

由于先采下部煤層，會(huì)對(duì)上部煤層產(chǎn)生一定的影響，如煤層破碎甚至大面積陷落、懸空，頂?shù)装鍞嗔?、破碎，下覆煤層采空區(qū)瓦斯涌入，礦壓不穩(wěn)造成工作面突然陷落等一系列問題，嚴(yán)重時(shí)將無法回采。

2 工程背景

黃土坡煤礦是山西省煤礦企業(yè)兼并重組整合后單獨(dú)保留礦井，生產(chǎn)能力60 萬t/a。經(jīng)過多年開采，3號(hào)、7 號(hào)煤層已全部采空，11 號(hào)煤層已大部分開采。11 號(hào)煤層上方的8 號(hào)煤層保有資源/儲(chǔ)量2.78 Mt，0.95 Mt 資源已蹬空。如果先采深部的12 號(hào)煤層，上方8、9 號(hào)煤層處于下方多煤層反復(fù)采動(dòng)影響，更加不利于開采。故決定運(yùn)用上行開采技術(shù)，開采被蹬空的8 號(hào)煤層。

8 號(hào)煤層煤質(zhì)為特低灰、中硫、特高熱值的不粘煤，是優(yōu)質(zhì)動(dòng)力煤；上距7 號(hào)煤層平均13.48 m，下距9 號(hào)煤層平均14.17 m，距11 號(hào)煤層平均37.3 m。煤層厚0.63 m～1.82 m，平均1.19 m，為穩(wěn)定的大部可采煤層。煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，頂板為砂巖、砂質(zhì)泥巖，底板為砂巖。7 號(hào)煤層平均厚度2.31 m，已全部采空；9 號(hào)煤層平均厚度1.02 m，全井田尚未開采；11號(hào)煤層平均厚度4.81 m，頂板為炭質(zhì)泥巖、泥巖、粉砂巖，井田內(nèi)西翼已大部采空，東翼局部采空。

2.1 水區(qū)、火區(qū)情況

2.1.1 采空區(qū)積水情況

井田內(nèi)主要含水層為寒武系石灰?guī)r含水層組、煤系地層砂巖裂隙含水層組、基巖風(fēng)化殼裂隙含水層、沖積、洪積含水層組。預(yù)計(jì)2 號(hào)煤層采空區(qū)積水34 000 m3，3 號(hào)煤層采空區(qū)積水31 000 m3，7 號(hào)煤層采空區(qū)積水74 794 m3。礦井正常涌水量288 m3/d，最大涌水量432 m3/d?？紤]采空區(qū)積水影響，礦井水文地質(zhì)條件中等，故開采8 號(hào)煤層前應(yīng)對(duì)7 號(hào)煤層采空區(qū)積水范圍及積水水量進(jìn)行探查，實(shí)施探放水措施。

2.1.2 采空區(qū)瓦斯與火情況

低瓦斯礦井煤層相對(duì)瓦斯涌出量2.87 m3/t，絕對(duì)瓦斯涌出量1.66 m3/min，煤層具有爆炸危險(xiǎn)性，屬于自燃煤層。11 號(hào)煤層有火區(qū)兩處、高溫氧化區(qū)兩處，經(jīng)滅火火區(qū)已完全熄滅。

2.2 煤層頂?shù)装迩闆r

根據(jù)測(cè)試，井田8 號(hào)煤層頂板抗壓強(qiáng)度41.6MPa～74.6 MPa，底板抗壓強(qiáng)度56.4MPa～69.1MPa；頂板抗拉強(qiáng)度0.42MPa～0.74MPa，底板抗 拉 強(qiáng) 度0.61MPa～0.9MPa；頂板抗剪強(qiáng)度1.85MPa～6.78MPa，底板抗剪強(qiáng)度1.73MPa～3.68MPa。11號(hào)煤層頂板抗壓強(qiáng)度35.4MPa～51.4MPa，底板抗壓強(qiáng)度31.7MPa～73.5MPa；頂板抗拉強(qiáng)度2.45MPa～2.54MPa，底板抗拉強(qiáng)度2.07MPa～2.85MPa；頂板抗剪強(qiáng)度1.89MPa～9.37MPa，底板抗剪強(qiáng)度0.76MPa～2.60MPa。井田內(nèi)圍巖完整，巖體質(zhì)量中等，地質(zhì)類型為Ⅲ類Ⅱ型。8 號(hào)煤層頂、底板以厚層狀中、細(xì)砂巖為主，均屬堅(jiān)硬巖層；11 號(hào)煤層頂、底板屬中硬～堅(jiān)硬巖層。

3 蹬空采煤可行性研究

影響上行開采的主要因素有：煤層間距、層間結(jié)構(gòu)、層間巖性、煤層厚度、采高、采煤方法、開采間隔、煤層傾角等。上行開采的可行性判別主要有比值判別法、數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析法、“三帶”判別法、圍巖平衡法等多種理論[2]。

3.1 比值判別法

利用煤層間距和采高的關(guān)系衡量上行開采的可行性。采動(dòng)倍數(shù)K 的計(jì)算公式：

式中：h ——煤層間距，m；

M ——已采煤層采高，m。

8 號(hào)煤層和11 號(hào)煤層間距27.03 m～43.85 m，11號(hào)煤層厚度3.90 m～5.59 m；采用短壁刀柱式采煤法開采，面長(zhǎng)40 m～50 m，每采8 m～10 m 留4 m～5 m煤柱，高度4 m 以下。計(jì)算出采動(dòng)倍數(shù)，西翼K=9.25，東翼K=9.16，均大于堅(jiān)硬巖層時(shí)的經(jīng)驗(yàn)值8，可以安全進(jìn)行蹬空開采。

其中：K 的取值根據(jù)我國(guó)煤礦上行開采的生產(chǎn)實(shí)踐和研究得知，當(dāng)上下煤層之間為堅(jiān)硬煤層時(shí)，K=8；中硬巖層時(shí)，K=7.5；軟弱煤層時(shí)，K=7[3]。

3.2 “三帶”判別理論

采空區(qū)上覆煤層圍巖會(huì)產(chǎn)生變形，形成垮落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶。

垮落帶高度Hm的計(jì)算公式：

裂隙帶高度H1計(jì)算公式：

ΣM 為累計(jì)采厚，m；±項(xiàng)為誤差范圍。

經(jīng)計(jì)算，西翼裂隙帶高度50 m，東翼裂隙帶高度44.6 m，8 號(hào)煤層位于裂隙帶的高位。侏羅紀(jì)煤質(zhì)堅(jiān)硬，煤柱有較強(qiáng)的支撐作用，堅(jiān)硬的整體厚層老頂不易冒落，可形成多支點(diǎn)平板鉸接梁，故只要11 號(hào)煤層開采后6 個(gè)月頂板穩(wěn)定，即可上行開采8 號(hào)煤層。“三帶”理論在堅(jiān)硬頂板條件下的可行性有待進(jìn)一步研究；同時(shí)，11 號(hào)煤層開采后大部分地段直接頂填不滿采空區(qū)，故初期可選擇在11 號(hào)煤層短壁刀柱開采時(shí)煤柱留設(shè)較多的區(qū)域進(jìn)行蹬空開采實(shí)驗(yàn)，取得經(jīng)驗(yàn)后推廣[4，5]。

3.3 圍巖平衡法

圍巖平衡高度即下層頂板至平衡圍巖頂板的高度。當(dāng)上覆巖層為堅(jiān)硬巖層時(shí)，蹬空煤層位于距下煤層最近的平衡圍巖之上，可以進(jìn)行上行開采。蹬空開采的必要層間距Hb計(jì)算公式：

式中：Ks——巖石碎脹系數(shù)；

H0——平衡圍巖本身高度。

根據(jù)巖性特征，8 號(hào)煤層頂板下方西翼至少有14.94 m、東翼至少有11.97 m 的巖層可起到平衡層作用，由公式計(jì)算出西翼Hb=28.24 m，東翼Hb=25.27 m，基本滿足蹬空開采條件。

3.4 數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析法

根據(jù)我國(guó)煤礦上行開采的實(shí)例，分析回歸計(jì)算得知：受下部煤層采動(dòng)的影響，上行開采必須的層間距為H，其經(jīng)驗(yàn)公式：

式中：M ——下煤層采高，m；

MS——上煤層厚度，m。

黃土坡煤礦開采8 號(hào)煤層必須的層間距H=7.59 m。根據(jù)黃土坡煤礦井田內(nèi)不同位置兩個(gè)鉆孔資料，8 號(hào)煤層的層間距為8.61 m～9.82 m，其煤層的間距大于H=7.59 m，因此按照數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析法判別復(fù)采8 號(hào)煤層是可行的，即8 號(hào)煤層可以進(jìn)行正常開掘。

4 結(jié)論

（1）在堅(jiān)硬巖層、煤層的大同侏羅系煤田適宜采用比值判別法研究上行開采8 號(hào)煤層的可行性。11號(hào)煤層采用短壁刀柱和巷柱開采后，由于眾多留設(shè)煤柱的支撐及其上部堅(jiān)硬老頂?shù)钠胶庾饔?，可以確保上部8 號(hào)煤層基本不受11 號(hào)煤層采動(dòng)影響而保持完整，8 號(hào)煤層具備上行開采的可行性。

（2）8 號(hào)煤層開采時(shí)，應(yīng)認(rèn)真防范11 號(hào)和7 號(hào)煤層采空區(qū)瓦斯涌出，加強(qiáng)采、掘工作面的瓦斯監(jiān)測(cè)，做好通風(fēng)管理工作。

（3）8 號(hào)煤層開采前應(yīng)做好7 號(hào)煤層采空區(qū)積水的探訪工作，必須遵循“預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)、有掘必探、先探后掘、先治后采”的十六字方針，制定相應(yīng)的預(yù)測(cè)、預(yù)報(bào)和安全防范措施，防止透水事故發(fā)生。

（4）在蹬空區(qū)開采，要加強(qiáng)礦壓監(jiān)測(cè)和頂板管理，進(jìn)行礦壓預(yù)報(bào)，防止冒頂事故發(fā)生。

[1]劉明杰，李東偉，翟群迪.蹬空開采頂?shù)装迤茐奶卣骷翱刂萍夹g(shù)[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，33（6）：758-762.

[2]于文佳，陳慶峰.上深澗煤礦刀柱式采空區(qū)上覆煤層蹬空開采可行性分析[J].煤礦安全，2011，42（9）：157-160.

[3]張志康.木瓜礦煤層上行開采可行性分析[J].山西焦煤科技，2009（04）：14-16.

[4]曹繼生.煤礦蹬空開采的探索研究與分析[J].山東煤炭科技，2009（03）：112-113.

[5]馮宇峰，趙杰，王沉.近距離煤層蹬空開采底板應(yīng)力分布規(guī)律[J].煤礦安全，2014（07）：30-33.