煤層間垮落上行開采技術(shù)探討

雷 佳

(中國(guó)神華神東煤炭集團(tuán)錦界煤礦，陜西 神木 719319)

上行開采法是指在一個(gè)煤層群內(nèi)，含有兩層以上并有一定間距及開采價(jià)值的煤層，在開采手段上是先采下部煤層，然后再開采上部煤層。這種采煤方法準(zhǔn)備時(shí)間短，出煤快;當(dāng)煤層頂板含水時(shí)，對(duì)上部工作面可起到疏導(dǎo)水的作用;有利于排除工作面內(nèi)的水;并可以有效預(yù)防煤與瓦斯突出。但是，采用上行開采法會(huì)使巷道維護(hù)條件受限，巷道維護(hù)工程量大，同時(shí)增加漏風(fēng)，不利于防止煤層自燃發(fā)火。近些年，煤層上行開采技術(shù)在我國(guó)得到了廣泛關(guān)注及研究實(shí)踐，獲得了一定的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。同時(shí)，在研究實(shí)踐的基礎(chǔ)上，上行開采技術(shù)已應(yīng)用于煤礦設(shè)計(jì)和礦井的復(fù)采工作當(dāng)中，特別是有些老礦井，前期開采的采空區(qū)上方遺棄煤炭資源要再次開采時(shí)，不得不采用上行開采技術(shù)，這些都為推廣上行開采技術(shù)奠定了堅(jiān)實(shí)的實(shí)踐基礎(chǔ)。但截至目前，這些工作大多停留在實(shí)踐上，還沒(méi)有系統(tǒng)的理論做支撐，上行開采技術(shù)仍然是我國(guó)乃至世界煤礦開采技術(shù)中的一個(gè)難題。根據(jù)煤層開采后采空區(qū)的處理方式，上行開采可分為:1)煤層間垮落上行開采;2)厚煤層分層充填上行開采;3)厚煤層分層恒底式上行開采。本文針對(duì)煤層間垮落上行開采技術(shù)進(jìn)行探討。

1 煤層間垮落上行順序采煤法

煤層間距較近，且采用垮落法處理采空區(qū)時(shí)，如果先采下部煤層，會(huì)使上部煤層隨下煤層采空區(qū)上的覆巖層垮落，從而破壞上部煤層，嚴(yán)重時(shí)會(huì)致使上煤層無(wú)法開采。因此，當(dāng)煤層間距較近時(shí)，一般不采用上行式開采，而采用下行式開采順序。但在一些情況下，卻必須先采下層煤而后采上層煤，或者說(shuō)先采下層煤的經(jīng)濟(jì)效益較高。因此，需要知道在什么情況下可以采用上行式采煤即其先決條件，以及采用上行式采煤時(shí)應(yīng)考慮的條件:

1.1 可以采用上行式采煤的先決條件

1)下部煤層為國(guó)家急需煤種，需要先行采出時(shí)，可以考慮采用上行式采煤。

2)當(dāng)上、下煤層間距較大，且上部煤層開拓相對(duì)于下部煤層比較困難時(shí)，可以先采下部煤層，后采上部煤層。

3)當(dāng)開采設(shè)備利用率、經(jīng)濟(jì)效益和礦井達(dá)產(chǎn)期因開采順序不同而差別很大，且上、下煤層間距較大時(shí)，可采用上行式采煤順序。

4)因煤質(zhì)、投入產(chǎn)出效益比等差異，先采下部煤層能給礦井帶來(lái)較大經(jīng)濟(jì)效益，且上部煤層不受下部開采影響，保持完整性和連續(xù)性時(shí)，可先采下部煤層。

1.2 采用上行式采煤的條件

上行式采煤法在安全和技術(shù)上具有一定的優(yōu)越性，但也應(yīng)考慮以下條件:

1)如果先采上部煤層會(huì)有沖擊地壓或煤與瓦斯突出危險(xiǎn)，或者上部煤層含水豐富，可以先采下部煤層，作為上部煤層開采的解放層，同時(shí)，可以有利于上部煤層的疏水。

2)上部煤層的頂板為堅(jiān)硬頂板，需要降低上部煤層頂板的周期來(lái)壓強(qiáng)度。

3)采用條帶采煤法開采有一定層間距的多層煤層，為使保留條帶不受重復(fù)開采影響。

4)采空區(qū)上方遺留的煤炭資源，因礦井資源枯竭而復(fù)采時(shí)，只能采取上行式采煤法。

2 垮落上行順序開采應(yīng)注意的問(wèn)題

目前，國(guó)內(nèi)外煤炭資源開采順序通常都采用自上而下，即下行開采。這種開采順序有很多優(yōu)點(diǎn):礦山建設(shè)初期開拓工程量小，初期基建投資少，投產(chǎn)早等。但是，在特定的條件下研究和應(yīng)用上行開采順序，對(duì)解決采空區(qū)上回采、上部煤層含水量大、上部煤層存在潛在的煤與瓦斯突出等情況具有重要意義，現(xiàn)已成為煤炭開采順序選擇的新方向。

通過(guò)前述分析可以看到，影響煤層上行開采的主要因素有采煤方法、采高、層間距、巖性及層間結(jié)構(gòu)和巖層穩(wěn)定時(shí)間。但是，在滿足上述因素條件的前提下，實(shí)行垮落上行順序開采時(shí)，還需要注意以下幾個(gè)問(wèn)題:

1)上煤層開采的時(shí)間應(yīng)選擇在下煤層開采引起的上覆巖層移動(dòng)穩(wěn)定后進(jìn)行。

2)避免在下煤層之上的巖層中或煤層中先開掘巷道，否則，先掘出的巷道可能受開采影響改變方向和坡度，甚至變形破壞。

3)在層間距較近的條件下，下煤層中開采應(yīng)采用無(wú)煤柱開采技術(shù)，否則，殘留的煤柱將影響到上煤層的正常作業(yè)。

3 工程實(shí)踐

3.1 工程概況

山西某煤礦礦井采用斜井開拓，現(xiàn)年生產(chǎn)能力150萬(wàn)t。主采煤層為12號(hào)、9號(hào)煤層。目前，下部12號(hào)煤層可采儲(chǔ)量日趨減少，相繼轉(zhuǎn)入上部9號(hào)煤層的開采，即9號(hào)煤層上行開采。9號(hào)煤層平均厚2.31 m，由于9號(hào)煤層和12號(hào)煤層間距離較近約45 m，且下部12號(hào)煤層已采空，這使得上行開采是否能順利進(jìn)行成為亟需解決的問(wèn)題。

3.2 礦壓觀測(cè)

近距離煤層上行開采時(shí)，由于受下部煤層開采的影響，使得上部煤層開采時(shí)與單一煤層開采相比，出現(xiàn)許多新的礦山壓力顯現(xiàn)特點(diǎn)。上行開采礦壓觀測(cè)及測(cè)試的主要內(nèi)容包括:工作面支柱載荷、活柱下縮量，頂?shù)装逑鄬?duì)移近量、移近速度，頂板狀況宏觀觀測(cè);回采巷道超前支承壓力、變形、離層觀測(cè);錨桿受力監(jiān)測(cè)等。而主要的觀測(cè)儀器包括:ZBY－2型頂板離層指示儀、DB－50頂板下沉監(jiān)測(cè)儀、KC－4型礦用測(cè)尺、KY82型頂板動(dòng)態(tài)儀 、ZYT－60型圓圖壓力自記儀、TCP－40型單體支柱測(cè)壓儀、YZ－30型錨桿液壓枕、MLJ－10型錨桿拉力計(jì)、DZD－11型底板比壓儀等。

礦壓觀測(cè)結(jié)果表明，老頂?shù)某醮蝸?lái)壓和周期來(lái)壓沿工作面方向并不是同時(shí)來(lái)壓，而是呈現(xiàn)局部來(lái)壓、遷移特征。初次來(lái)壓步距平均為21.29 m，最小初次來(lái)壓步距發(fā)生在機(jī)尾處約為18.9 m，最大初次來(lái)壓步距發(fā)生工作面中部約為21 m。初次來(lái)壓期間，頂板壓力增大，支柱平均工作阻力為16.58 MPa。動(dòng)壓系數(shù)平均為2.31，初次來(lái)壓期間頂板壓力平均約為112.6 t。因此，以現(xiàn)有的開采方法、支護(hù)方式能夠?qū)崿F(xiàn)9號(hào)煤層的上行開采。9號(hào)煤層采用走向長(zhǎng)壁綜合機(jī)械化采煤法，全部垮落法處理采空區(qū)。

3.3 上行開采可行性分析

根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，國(guó)內(nèi)外關(guān)于上行開采一般常把采動(dòng)影響倍數(shù)的大小作為能否實(shí)現(xiàn)上行開采依據(jù)。即:式中:

K—采動(dòng)影響倍數(shù);

H—上下煤層之間的垂距，m;

M—下煤層采高，m。

當(dāng)下部開采多個(gè)煤層時(shí)，用綜合比值 KZ判別，即:

式中:

H1，H2…Hn—分別為 M2，M3…Mn+1煤層至 M1煤層的垂距，m;

M2，M3…Mn+1—分別為下部各煤層的采高，m。

上部煤層受到下部煤層采動(dòng)影響時(shí)，上行開采所必需的層間距為:

式中:

M1—下煤層的采高，m;

M2—上煤層的高度，m。

根據(jù)國(guó)內(nèi)外關(guān)于上行開采的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，取12#煤層采高為4 m時(shí)，取采動(dòng)影響倍數(shù)K=6，9號(hào)煤層上行開采所必需的層間距為24 m;取采動(dòng)影響倍數(shù)K=7時(shí)所必需的層間距為28 m;取采動(dòng)影響倍數(shù)K=8時(shí)所必需的層間距為32 m;根據(jù)數(shù)理統(tǒng)計(jì)經(jīng)驗(yàn)公式判定所必需的層間距為24.56 m。

綜合礦壓觀測(cè)、采動(dòng)系數(shù)法和層間距判斷等分析結(jié)果，9#煤層基本能夠滿足上行開采的條件，可以實(shí)現(xiàn)上行開采。

4 結(jié)束語(yǔ)

在傳統(tǒng)的煤炭開采中，一般開采順序大都按自上而下的順序開采。但在生產(chǎn)實(shí)踐中，由于各種原因，或受當(dāng)時(shí)生產(chǎn)技術(shù)條件所限，或因上部煤層煤質(zhì)、厚度、價(jià)格等因素在當(dāng)時(shí)處于不宜開采狀態(tài)，從而先行開采了下部煤層，而使上部煤層開采時(shí)下部已成為采空區(qū)。從開采順序來(lái)看，稱之為上行開采順序。國(guó)內(nèi)外在近些年對(duì)上行開采技術(shù)進(jìn)行了大量的研究與實(shí)踐，但因?yàn)楦鞯V所屬地質(zhì)條件不同，開采方法不同，加上歷史遺留問(wèn)題等因素的影響，上行開采仍然是煤炭開采中的技術(shù)難題之一。本文對(duì)采用上行式采煤的先決條件和條件做了分析，指出了垮落上行順序開采時(shí)應(yīng)注意的幾個(gè)問(wèn)題，并結(jié)合上行開采工程分析給出了具體方法，對(duì)進(jìn)行礦山上行開采具有一定的參考意義。而研究上行開采技術(shù)，在延長(zhǎng)礦井服務(wù)年限、提高資源回收率、提高礦井生產(chǎn)系統(tǒng)的利用效率等方面具有重要的意義。