辛安煤礦4#煤層“蹬空”開采可行性研究

＊韓偉 王亞東 張寶安

（1.山西霍寶干河煤礦有限公司 山西 031400 2.山西凱嘉集團(tuán)礦管公司 山西 032000 3.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 遼寧 123000）

正常情況下，煤礦煤層采用上行式開采方式。但很多重組礦井煤層開采條件極其復(fù)雜，某些煤層無法采用正常的下行開采方式，只能在已存在的“采空區(qū)”上進(jìn)行回采，亦即“蹬空”開采。“蹬空”開采相對于下行開采方式來講開采難度增大，安全隱患更多。

辛安礦井田內(nèi)4#、9#、11#號為全區(qū)可采煤層，9#、11#煤層已經(jīng)開采，屬于采空區(qū)，礦井規(guī)劃開采的4#煤層下部為9#、11#煤層采空區(qū)，4#煤層回采屬于“蹬空”開采。

1.4#煤層開采條件

井田內(nèi)可采煤層賦存特征見表1，煤層頂?shù)装鍘r性見表2。

表1 可采煤層特征表

表2 煤層及頂?shù)装辶W(xué)參數(shù)

2.上行開采存在問題、影響因素及適用條件

(1)上行開采存在的主要問題

上行開采具有其嚴(yán)格的適用條件，當(dāng)開采條件不具備時(shí)，往往存在以下問題：

①由于下煤層開采活動造成上覆巖層運(yùn)移，破壞了上煤層的整體性、連續(xù)性，煤層產(chǎn)生“騎越”現(xiàn)象，致使上煤層無法正常開采。

②下煤層開采活動盡管對上部煤層沒有造成破壞，但下煤層開采引起的導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育，裂隙帶與上部煤層貫通，容易造成上部煤層開采時(shí)存在漏風(fēng)、煤層自燃及突水災(zāi)害。

(2)上行開采可行性影響因素

①層間距。足夠的層間距是上行開采的重要條件。h/M越大，越有利于上行開采。層間距大于冒落帶高度時(shí)，上煤層發(fā)生臺階錯動幾率就低。②采高。采高增大，裂隙帶高度增大，覆巖下沉量越大。③巖性與層間結(jié)構(gòu)。直接頂?shù)暮穸却笥贛/(Kp-1)時(shí)，冒矸可充滿采空區(qū)，上覆煤層將緩慢下沉，有利于上行開采。④煤層傾角。近水平、緩傾斜煤層采空區(qū)邊界裂隙帶高度較采空區(qū)中部大；傾斜、急傾斜煤層采空區(qū)兩端裂隙帶傾斜上方高，下方低。⑤采煤方法。全部垮落法覆巖一般形成“三帶”，而采用充填法時(shí)，工作面來壓較弱，頂板下沉量比全部垮落法小。⑥覆巖運(yùn)移時(shí)間。采空區(qū)覆巖堅(jiān)硬時(shí)需2～4個月定；覆巖中硬時(shí)，需要1～3個月；覆巖為軟巖時(shí)，需要1～2個月。

(3)上行開采適應(yīng)條件

①當(dāng)層間距小于或等于冒落帶高度，上煤層遭到嚴(yán)重破壞，無法上行開采。②當(dāng)層間距大于裂隙帶高度，上煤層整體移動下沉，結(jié)構(gòu)完好，可進(jìn)行上行開采。

3.4#煤層開采可行性理論計(jì)算與分析

(1)“三帶”判別法開采可行性

根據(jù)4#、9#、11#煤層頂?shù)装鍘r石力學(xué)參數(shù)可知，覆巖巖性屬于中硬，故選取中硬頂板經(jīng)驗(yàn)公式作為冒落帶和導(dǎo)水裂隙帶理論計(jì)算公式：

冒落帶計(jì)算式：

導(dǎo)水裂隙帶計(jì)算式：

9#、11#煤層開采冒落帶、裂隙帶高度計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 冒落帶、裂隙帶高度計(jì)算結(jié)果

地質(zhì)報(bào)告中4#、9#、11#煤層賦存特征為：煤層平均厚度分別為7.47m、4.35m、4.40m；4#煤與9#煤、9#煤與11#煤層間距分別為44.75m、16.54m。9#煤開采垮落帶最大高度13.22m，最大裂隙帶高度46.79m；11#煤層開采垮落帶高度13.29m，裂隙帶高度46.95m?？梢?，4#煤層位下煤層開采的冒落帶較遠(yuǎn)處，基本上處于裂隙帶邊緣附近，對4#煤層影響不大?；诹严稁Оl(fā)育高度看，在下部煤層開采一定時(shí)間后，上覆巖層活動穩(wěn)定后可進(jìn)行開采。一般巖層穩(wěn)定時(shí)間至少需要3個月以上。

(2)比值判別法開采可行性

開采下部多煤層時(shí)，應(yīng)用綜合比值K′來判斷，公式為：

按地質(zhì)報(bào)告，9#、11#煤開采厚度為4.35m、4.40m，9#煤與4#煤層間距44.75m，11#煤與4#煤層間距為：44.75+16.54=61.29（m）。通過公式計(jì)算得：K9煤=44.75/4.35=10.29；K11煤=61.29/4.40=13.93；K′=5.92。

計(jì)算知，4#煤下部開采9#煤、11#煤，綜合比值K′值處于5.95～7.49之間，計(jì)算結(jié)果與6.3比較相近。開采實(shí)踐及研究證明，綜合比值K′＞6.3時(shí)，可正常進(jìn)行上行開采。

(3)圍巖平衡法開采可行性

圍巖平衡法判別公式：

式中：M—煤層厚度，m；

Kl—碎脹系數(shù)，中硬巖層時(shí)，取Kl=1.20；

H—平衡巖層厚度，m。

由柱狀圖，4#與9#煤層間存在2層厚度大、強(qiáng)度高的砂巖層，累厚18.3+19.24=37.54m，視為平衡巖層。9#煤層采厚4.35m，9#與4#煤層間距46.4m。9#煤層開采必要層間距：

計(jì)算可看出，4#煤與9#煤層間距小于59.29m，說明9#煤層開采后，9#煤開采后的裂隙帶高度已經(jīng)超過平衡巖層，故對于4#煤層開采，需要9#煤層覆巖要有足夠的巖層穩(wěn)定時(shí)間。

4.4#煤層開采可行性數(shù)值模擬計(jì)算與分析

可以看出，9#、11#煤開采后，4#煤受到下部煤層開采影響，已經(jīng)處于下煤層開采產(chǎn)生的裂隙帶內(nèi)。但是4#煤整體性沒有受到破壞，煤層沒有產(chǎn)生明顯的起伏、凹凸現(xiàn)象，下覆采空區(qū)經(jīng)過一定時(shí)間穩(wěn)定壓實(shí)后可進(jìn)行開采。

5.4#煤層開采可行性結(jié)論

(1)上行開采可行性判據(jù)

對于上行開采可行性，有以下共識：

①上部煤層位于“裂隙帶”外時(shí)，滿足上行開采條件；

②如果煤層的連續(xù)性、整體性沒有出現(xiàn)“錯動、臺階”狀態(tài)，在下部煤層開采后覆巖運(yùn)移已過活躍期，采取一定措施后可進(jìn)行開采。

(2)4#煤層開采可行性研究結(jié)論

①通過理論計(jì)算與分析，4#煤層位于下煤層開采的覆巖裂隙帶邊緣，對4#煤影響不大；9#煤裂隙帶高度盡管超過平衡巖層，4#煤層受其開采影響呈整體下沉狀運(yùn)移。綜合比值K′值處于5.95～7.49之間，與6.3比較相近，可正常進(jìn)行上行開采。

②數(shù)值模擬表明，9#、11#煤開采后，4#煤層處于裂隙帶范圍，但4#煤層的整體性、連續(xù)性沒有破壞，沒有出現(xiàn)臺階狀錯動，4#煤層可進(jìn)行開采。

③綜合理論計(jì)算、數(shù)值模擬分析，4#煤層“蹬空開采”是可行的。為安全起見，要保證下部空區(qū)有足夠的壓實(shí)穩(wěn)定時(shí)間，壓實(shí)時(shí)間一般取2～3年。