劉 浡
(山西焦煤股份公司 生產(chǎn)部,山西 太原 030021)
根據(jù)《關(guān)于山西潞安溫莊煤業(yè)有限責任公司礦井兼并重組整合項目初步設計變更的批復》(晉煤基局發(fā)〔2015〕10號文)的批復意見,溫莊煤業(yè)投產(chǎn)后在15號和3號煤層各布置1個回采工作面,共同達到120萬t/a的設計產(chǎn)能。但由于投產(chǎn)時正值煤炭低迷,加之3號煤層的首采區(qū)處于井田南部,煤層較薄,夾矸較厚,其生產(chǎn)成本遠遠大于銷售收入,故礦井3號煤層在竣工驗收后一直處于未開采狀態(tài),僅在15號煤層進行了采掘活動,因此,造成了3號煤層蹬空。
經(jīng)過多年開采,現(xiàn)階段15號煤層一、二采區(qū)剩余儲量服務年限僅為6 a,而其三采區(qū)資源均為鐵路、公路、村莊等“三下”壓煤,且地質(zhì)條件復雜,開采難度巨大,暫不考慮開采。鑒于此,為有效延長礦井服務年限,提高資源回收率,并且考慮到現(xiàn)行煤價回升,論證礦井3號煤層蹬空開采已迫在眉睫。
蹬空開采是指礦井已經(jīng)開采了下部煤層,使上部未采煤層形成了蹬空,在滿足安全開采條件的前提下,對上部未采煤層進行開采。蹬空開采應遵循煤炭資源優(yōu)化利用、企業(yè)經(jīng)濟利益與社會效益最大化原則,凡安全上可靠、技術(shù)上可行、經(jīng)濟上合理,必須進行開采;在目前技術(shù)條件下難以開采,但采取特殊措施之后經(jīng)濟上合理的,可以進行開采。蹬空開采必須經(jīng)嚴格技術(shù)論證,滿足要求的情況下,可以進行試采,實施蹬空開采的煤層必須滿足以下條件:
1) 上部蹬空煤層原則上應位于下部煤層開采裂隙帶高度以上,若上部煤層位于下部煤層裂隙帶高度以內(nèi),必須制定有針對性的、切實可行的安全技術(shù)保證措施[1]。
2) 蹬空開采的最小層間距不小于下部煤層開采所形成的垮落帶的高度[2]。
3) 先期開采的下部煤層的上覆巖層移動已經(jīng)完全穩(wěn)定[3]。
蹬空開采的煤礦,在編制可行性研究報告時,應通過采動影響倍數(shù)法、“三帶”判別理論、圍巖平衡判別法等對上部煤層蹬空開采的可行性作出初步判定,同時還應根據(jù)現(xiàn)場條件制定針對性的安全技術(shù)保證措施。
煤層間距與下覆煤層采厚之比的計算公式如下:
式中:K為煤層間距與下覆煤層采厚之比,單位為倍;H間為煤層間距,3號煤層到15號煤層間距取最小值105 m。M為煤層的開采厚度,15號煤層最大開采厚度為4.91 m;K取21.4。
根據(jù)經(jīng)驗數(shù)據(jù),煤層間距與煤層采厚之比大于6~8倍時,下部煤層開采后不會破壞上覆煤層的完整性,其蹬空開采是可行的。因此,根據(jù)采動影響倍數(shù)法,15號煤層采空后,開采上覆的3號煤層是可行的。
影響上覆煤層開采最小間距的計算,公式如下:
H>1.14M2+4.14+△M
式中:H為影響上覆煤層開采的最小間距,m;M為煤層的開采厚度,15號煤層最大開采厚度為4.91 m;Δ為系數(shù)應≤1,取1。
根據(jù)上式可知:開采15號煤層影響上覆煤層開采的最小間距為36.53 m <105 m;因此,根據(jù)數(shù)理統(tǒng)計法,15號煤層開采后,開采上覆的3號煤層是可行的。
根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規(guī)范》(2017版),垮落帶最大高度計算如下(頂板按中硬頂板):
式中:Hm為煤層采后所形成的垮落帶最大高度,m;M為累計采厚度,15號煤層最大開采厚度為4.91 m。
經(jīng)計算垮落帶最大高度為13.9 m<105 m;因此,15號煤層開采后,根據(jù)垮落帶最大高度計算,開采上覆的3號煤層是可行的。
根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規(guī)范》(2017版),導水裂縫帶最大高度計算(15號煤層頂板為石灰?guī)r和砂質(zhì)泥巖,按中硬頂板):
(1)
(2)
式中:Hli為導水裂縫帶高度,m;∑M為累計采厚度,15號煤層最大開采厚度為4.91 m;15號煤層到3號煤層間距取最小值105 m。
按公式(1)計算可得:導水裂縫帶高度為48.5 m<105 m,按公式(2)計算可得:導水裂縫帶高度為54.3 m<105 m。因此,15號煤層開采后,根據(jù)導水裂縫帶最大高度計算,開采上覆的3號煤層是可行的。
在開采過程中,能夠形成不發(fā)生臺階錯動的平衡巖層結(jié)構(gòu)稱為平衡巖層。
上行開采的基本原則是:①當采場上覆巖層中有堅硬、中硬巖層時,上部煤層應位于下部煤層最近的平衡巖層之上;②當采場上覆巖層均為軟巖層時,上部煤層應位于裂隙帶內(nèi);③上部煤層應在下部煤層采空區(qū)引起的上覆巖層移動穩(wěn)定之后進行開采。
結(jié)合溫莊煤業(yè)煤層賦存條件及其覆巖巖性、結(jié)構(gòu),可以找到15號煤層開采后其覆巖上的平衡巖層。15號煤層上覆巖層為K2、 K3、 K4、 K5、 K6和K7,共6層石灰?guī)r,屬中硬巖層,6層石灰?guī)r起到平衡巖層作用,阻止了平衡巖層上覆的煤(巖)層產(chǎn)生縱向臺階錯動,從而消除了(上行開采)開采3號煤層的最大障礙。確定3號煤層位于平衡巖層之上的平衡煤(巖)層之后,還必須確認下部15號煤層采后引起上覆巖層移動已經(jīng)穩(wěn)定(約3~5 a),這時方可進行開采,這樣才能確保安全地進行采掘。
綜上所述,在15號煤層采空區(qū)穩(wěn)定開采后,對3號煤層進行蹬空開采是可行的,但是建議3號煤層的巷道支護、工作面支護、礦壓監(jiān)測等方面要采取綜合性措施。