房柱式采空區(qū)上部煤層上行開(kāi)采可行性分析

劉增平

（陜北礦業(yè)韓家灣煤炭有限公司，陜西榆林 719315）

房柱式采空區(qū)上部煤層上行開(kāi)采可行性分析

劉增平

（陜北礦業(yè)韓家灣煤炭有限公司，陜西榆林 719315）

韓橋?yàn)趁旱V二盤(pán)區(qū)下部2－2煤層厚度大，開(kāi)采條件優(yōu)越，先行采用房柱式開(kāi)采完畢，使其上部1－2煤層不能按正常順序開(kāi)采。根據(jù)兩煤層賦存條件 （煤層厚度、層間距、層間巖性等），采用垮落開(kāi)采的比值法、“三帶”判別法、圍巖平衡法以及上、下煤層開(kāi)采的時(shí)間間隔，分析論證了1－2煤層上行開(kāi)采的可行性，確認(rèn)二盤(pán)區(qū)上行開(kāi)采1－2煤層技術(shù)上是可行的，由此可解放上方呆滯煤量，延長(zhǎng)礦井壽命，提高經(jīng)濟(jì)效益，具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

房柱式;采空區(qū);上行開(kāi)采;比值判別法;“三帶”判別法;圍巖平衡判別法

韓家灣煤炭公司二盤(pán)區(qū)位于井田西南角，與村辦小煤窯相鄰，面積約0.93km2。該盤(pán)區(qū)內(nèi)共有5層煤，分別為 1－2上，1－2，2－2，3－1，4－2煤層。

由于二盤(pán)區(qū)下部的2－2煤層厚度大，開(kāi)采條件優(yōu)越，在上部的1－2上，1－2煤層還未開(kāi)采的情況下，首先采用房柱式對(duì)該層進(jìn)行開(kāi)采，且已開(kāi)采完畢。由于位于下面的2－2煤層先行開(kāi)采，使該層之上的2.76Mt 1－2煤滯后開(kāi)采，由此形成上行開(kāi)采順序。

1 二盤(pán)區(qū)上行開(kāi)采條件分析

1.1 煤層厚度

與上行開(kāi)采有關(guān)的兩個(gè)煤層1－2煤層、2－2煤層的基本情況如下:

1－2煤層厚度為0.20～3.02m，平均煤厚2.59 m。埋深44～85m。據(jù)二盤(pán)區(qū)內(nèi)地質(zhì)資料，1－2煤層厚度為2.41m，埋藏深度為44.23m。結(jié)構(gòu)單一，盤(pán)區(qū)內(nèi)無(wú)夾矸，厚度雖有變化，但規(guī)律性明顯，屬較穩(wěn)定煤層。

2－2煤層厚度為0.20～5.26m，平均厚度4.5 m。埋深71～110m，據(jù)二盤(pán)區(qū)內(nèi)地質(zhì)資料分析，

2－2煤層厚度為4.65m，埋藏深度為75.68m。煤層結(jié)構(gòu)單一，該盤(pán)區(qū)為一穩(wěn)定型煤層。

1.2 上、下煤層間距

據(jù)井田地質(zhì)資料，2－2煤層頂板距1－2煤層底板層間距最大為38.82m，最小為22.49m，平均為25.84m。據(jù)二盤(pán)區(qū)內(nèi)地質(zhì)資料分析，2－2煤層與1－2煤層的間距為24.39m。

1.3 煤層傾角

本盤(pán)區(qū)呈一單斜構(gòu)造形態(tài)，煤層傾角在1～5°左右。

1.4 層間巖性

根據(jù)井田地質(zhì)資料分析，2－2煤層頂板以Ⅳ類為主，煤層頂板巖性分別為泥巖、砂巖和粉砂巖為主，頂板較穩(wěn)定。

2 二盤(pán)區(qū)上行開(kāi)采的可行性分析

2.1 二盤(pán)區(qū)上行開(kāi)采的判定標(biāo)準(zhǔn)

二盤(pán)區(qū)能否安全地進(jìn)行上行開(kāi)采的判定標(biāo)準(zhǔn)主要有以下兩個(gè)方面:一是2－2煤層房柱式開(kāi)采是否造成了1－2煤層的完整性、連續(xù)性的破壞，1－2煤層能否按照正常的方式布置工作面，并能正常地進(jìn)行巷道掘進(jìn)和回采;二是1－2煤層的長(zhǎng)壁全陷法開(kāi)采會(huì)不會(huì)引起2－2煤層房柱開(kāi)采區(qū)內(nèi)房柱和頂板的失穩(wěn)，從而發(fā)生大面積的突然垮塌，造成沖擊災(zāi)害發(fā)生。

2.2 二盤(pán)區(qū)上行開(kāi)采的判別方法

為了能對(duì)韓家灣煤礦二盤(pán)區(qū)進(jìn)行上行開(kāi)采，根據(jù)二盤(pán)區(qū)上行開(kāi)采條件，采用垮落法開(kāi)采的“比值法”、“三帶”判別法、“圍巖平衡法”進(jìn)行類比分析，得出上行開(kāi)采的可行性結(jié)論。

（1）二盤(pán)區(qū)上行開(kāi)采比值判別法 先采下部2－2煤層，后采上位1－2煤層，用采動(dòng)影響系數(shù) K進(jìn)行判別，即上下煤層層間距與下煤層厚度的比值K為:

式中，K為2－2煤層、1－2煤層層間距與2－2煤層采厚的比值;H為 2－2煤層與 1－2煤層層間距，24.39m;M2為2－2煤層的采厚，3.5m。

將二盤(pán)區(qū)有關(guān)參數(shù)代入上式，可得K=7。

我國(guó)采礦界目前認(rèn)可的“比值法”上行開(kāi)采判別標(biāo)準(zhǔn):當(dāng)下部煤層開(kāi)采時(shí)，層間巖層為堅(jiān)硬巖層，采動(dòng)影響倍數(shù)K＞7，上煤層可正常進(jìn)行掘進(jìn)和采煤;層間巖層為中硬巖層，采動(dòng)影響倍數(shù)5＜K＜7，上煤層可正常進(jìn)行掘進(jìn)和采煤。

根據(jù)鉆孔柱狀和開(kāi)采資料，韓家灣公司二盤(pán)區(qū)2－2煤層頂板為中硬巖層。由于2－2煤層與1－2煤層層間距與下煤層厚度的比值K為7倍，因此，按照垮落法開(kāi)采的比值法的判定標(biāo)準(zhǔn)，二盤(pán)區(qū)2－2煤層的開(kāi)采不會(huì)造成1－2煤層的破壞，1－2煤層上行開(kāi)采是可行的。

另外，根據(jù)理論研究和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，房柱式開(kāi)采區(qū)煤柱，回采期間不允許頂板垮塌或部分塊段頂板垮落，其垮落的高度均低于全部垮落法開(kāi)采。通過(guò)對(duì)二盤(pán)區(qū)2－2煤層房柱采空區(qū)的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，目前采空區(qū)頂板大部分的確未垮落，只有局部頂板有冒落現(xiàn)象，其冒落高度約4m。由此得出，二盤(pán)區(qū)2－2煤層房柱式開(kāi)采，未造成1－2煤層的破壞，因此上行開(kāi)采不僅可行，而且是安全的。

（2）二盤(pán)區(qū)上行開(kāi)采“三帶”判別法 二盤(pán)區(qū)2－2煤層房柱式開(kāi)采，其煤層采寬5m，達(dá)不到頂板產(chǎn)生“三帶”型破壞所要求的走向長(zhǎng)度。所以，2－2煤層回采已數(shù)年，但頂板依然未出現(xiàn)大面積垮塌的現(xiàn)象。

對(duì)于2－2煤層采空區(qū)中某些塊段因上覆巖層強(qiáng)度較差或個(gè)別房柱失穩(wěn)、破壞，可能產(chǎn)生長(zhǎng)壁全陷法開(kāi)采典型的“三帶”型破壞，但頂板破壞由垮落、開(kāi)裂，往上逐漸變化的規(guī)律是一樣的。因此，可以按照長(zhǎng)壁全陷法上行開(kāi)采的“三帶”判別法對(duì)二盤(pán)區(qū)上行開(kāi)采進(jìn)行判定。

房柱式采空區(qū)頂板垮塌的發(fā)展過(guò)程見(jiàn)圖1。

假設(shè)垮落的破碎巖塊能全部充滿采空區(qū)，則垮落矸石充滿采空區(qū)所需的頂板厚度為:

圖1 房柱式采空區(qū)頂板垮塌過(guò)程

式中，h為頂板厚度，m;m為煤層采厚，m;k為覆巖碎脹系數(shù)。

已知2－2煤層平均開(kāi)采厚度為3.5m，層間頂板巖層主要為泥巖、中粒砂巖、粉砂巖，其碎脹系數(shù)K取1.2。將其代入公式可得出充滿采空區(qū)所需直接頂厚度約為17.5m。

根據(jù)2－2煤層與1－2煤層間覆巖的綜合判定為中硬巖層，按中硬巖層選用垮落帶和裂縫帶高度計(jì)算公式。

式中，∑M為累計(jì)采厚，m。

已知2－2煤層開(kāi)采高度為3.5m，分別代入公式中，計(jì)算得出:垮落帶高度Hm=7.67～12.07m，裂縫帶高度Hli=32.44～43.64m，為安全起見(jiàn)，考慮20%的富裕系數(shù)，取Hm=9.21～14.48m，Hli=38.93～52.37m。

由此可知，2－2煤層的開(kāi)采高度為3.5m，2－2煤層頂板距1－2煤層底板間距為24.39m，比充滿采空區(qū)所需要巖層頂板厚度17.5m高出6.89m，比2－2煤層覆巖垮落帶最大高度 14.48m高出9.91m。兩種計(jì)算結(jié)果都得出1－2煤層處在垮落帶之上、裂縫帶范圍之內(nèi)6.89～9.91m，因此，1－2煤層的完整性、連續(xù)性不受影響。按照“三帶”判別法，上位的1－2煤層位于2－2煤層頂板垮落帶之上、裂縫帶之內(nèi)，采取一定技術(shù)和安全措施后是可以進(jìn)行上行開(kāi)采的。

（3）二盤(pán)區(qū)上行開(kāi)采圍巖平衡法判別 按照圍巖平衡法，2－2煤層開(kāi)采過(guò)程中，能夠形成平衡巖層結(jié)構(gòu)的平衡巖層高度，采用下式計(jì)算:

式中，Hp為圍巖平衡高度，m;M為2－2煤層采高，m;hp為平衡巖層本身的厚度，m;K1為距煤壁L（周期來(lái)壓步距）處的巖石碎脹系數(shù)。

已知2－2煤層平均開(kāi)采厚度為3.5m，K1取1.2，根據(jù)二盤(pán)區(qū)內(nèi)J41號(hào)鉆孔柱狀，平衡巖層本身的厚度為6.49m，代入計(jì)算得:Hp=23.99m。J41號(hào)鉆孔2－2煤層與1－2煤層間距為24.39m，1－2煤層處于平衡巖層之上。由于2－2煤層與1－2煤層的層間距大于巖平衡高度Hp。因此，2－2煤層開(kāi)采不影響1－2煤層的正常回采。

（4）上、下煤層開(kāi)采的間隔時(shí)間 二盤(pán)區(qū)2－2煤層開(kāi)采時(shí)間在2007年7月，距今已有3a多，如目前開(kāi)采1－2煤層，其上行開(kāi)采的間隔時(shí)間達(dá)3a以上，滿足上、下煤層開(kāi)采的間隔時(shí)間為3～10個(gè)月的要求。

根據(jù)上述3種判定方法，得出2－2煤層開(kāi)采后對(duì)1－2煤層的完整性、連續(xù)性沒(méi)有影響，因此，韓家灣二盤(pán)區(qū)可以進(jìn)行上行開(kāi)采。

3 上行開(kāi)采對(duì)下部房柱和頂板穩(wěn)定性影響分析

韓家灣公司二盤(pán)區(qū)2－2煤層房柱式開(kāi)采的采寬為5m，留寬為6m，煤柱的面積比率為54%，煤柱穩(wěn)定性安全系數(shù)為1.32，處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，頂板和地表就能保持穩(wěn)定，因此，韓家灣公司二盤(pán)區(qū)2－2煤層房柱式開(kāi)采區(qū)的頂板是穩(wěn)定的。

另外，根據(jù)對(duì)上行開(kāi)采前2－2煤層開(kāi)采區(qū)煤柱及頂板的穩(wěn)定性分析計(jì)算，得出房柱所承受的礦山應(yīng)力為6.39MPa，而房柱本身的強(qiáng)度為8.44MPa，因此，即使1－2煤層開(kāi)采過(guò)程中，礦山集中應(yīng)力傳遞到房柱上，但由于應(yīng)力集中系數(shù)太小，附加應(yīng)力不大，對(duì)房柱不會(huì)構(gòu)成太大威脅。因此，房柱仍然是穩(wěn)定的。

4 結(jié)論

經(jīng)過(guò)比值判別法、“三帶”判別法、圍巖平衡法和類比分析法等多種方法，認(rèn)為韓家灣公司二盤(pán)區(qū)上行開(kāi)采1－2煤層不會(huì)受到房柱式已開(kāi)采2－2煤的影響，在技術(shù)上是可行的。建議在開(kāi)采過(guò)程中，同時(shí)開(kāi)展礦壓觀測(cè)研究工作，為以后的開(kāi)采提供可靠資料和研究成果。

［1］汪理全，李中頏.煤層 （群）上行開(kāi)采技術(shù) ［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，1995.

［2］煤炭科學(xué)研究院北京開(kāi)采所.煤礦地表移動(dòng)與覆巖破壞規(guī)律及其應(yīng)用［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，1983.

［3］劉天泉.用垮落法上行開(kāi)采的可能性 ［J］.煤炭學(xué)報(bào)，1981（1）.

Feasibility of Coal Mining over Gob Room-and-pillar Mining

LIU Zeng-ping
（Hanjiawan Coal Co.，Ltd，Shan'bei Mining Group，Yulin 719315，China）

2－2coal-seam of 2nd panel in Hanjiawan Colliery is thick and was mined by room-and-pillar mining method，so 1－2coalseam could not be mined with normal sequence.Feasibility of upward mining 1－2coal-seam was made by ratio method of caving roof method， “3-zone”discriminance，surrounding rock equilibrium method and time interval of mining upper and lower seam.Result showed that upward mining 1－2coal-seam is feasible.It had important realistic meaning for mining coal，prolonging mine life and improving economic profit.

room-and-pillar;gob;upper mining;ratio judging method;“3-zone”discriminance;surrounding rock stability discriminance

TD823.8

A

1006-6225（2012）02-0038-03

2011－10－11

劉增平 （1966－），男，陜西銅川人，采礦工程師，從事煤炭開(kāi)采技術(shù)工作，現(xiàn)任韓家灣煤炭有限公司總工程師。

［責(zé)任編輯:鄒正立］

礦井設(shè)計(jì)