李陽煤業上行開采可行性研究

張萬昂 李愛斌 趙元 王安國

摘要：針對潞安集團李陽煤業有限公司煤層賦存的特點，利用比值判別法、“三帶”判別法、圍巖平衡法等方法對綜采放頂煤上行開采進行可行性分析，得出了李陽煤業有限公司采用上行開采在技術上可行，安全上可靠，并能取得良好的經濟效益的結論。為李陽煤業上行開采提供了可靠的理論依據。

關鍵詞：上行開采 比值判別法 “三帶”判別法 圍巖平衡法等 可行性

開采煤層群時，各煤層的開采順序有下行式和上行式兩種，通常采用下行式開采順序，因為先采上層煤后采下層煤，上層一般對下層沒有什么影響或影響甚小，但在特定的地質和開采條件下，可以采用上行式開采。如上煤層有突出危險性，采用上行式開采順序可減輕突出危險性、上部煤為劣質或不穩定煤層，下部煤質優良，先行開采下部煤層可減少初期投資，提高企業經濟效益等。但如果層間距不是很大，下層煤開采后，會對上層煤產生影響和破壞，嚴重時，上層煤不能開采。因此，采用上行式開采時要進行可行性分析，并采取安全技術措施。

1 礦井概況

李陽煤業為單獨保留礦井，原生產能力為30萬噸/年，現進行礦井機械化升級改造，改造后礦井生產能力為120萬噸/年，礦區面積為17.0321平方公里，批準開采8#～15#煤層，其中8、9、14、15號煤為可采煤層。8號煤資源儲量43.471Mt，9號煤資源儲量24.746Mt，14號煤資源儲量8.010Mt，15號煤資源儲量121.065Mt，15號煤資源儲量大，占全礦井資源總量的61.36%，為主采煤層?？刹擅簩泳唧w參數見表一。

表一 開采煤層特征參數

■

由于8號煤為結構復雜的局部可采煤層，9號煤為平均厚僅1.54m的大部分可采煤層，14號煤為賦存不穩定的局部可采煤層，15號煤全區可采，且為厚煤層，先開采15號煤可以減少初期投資，緩解投資壓力，使礦井迅速達到設計生產能力，故初步設計采用上行開采的開采順序，14、15號煤層間距較近，局部的14號煤可利用布置在15號煤層的巷道開采。即礦井前期開采14、15號煤層，后期開采8、9號煤層。

2 上行開采可行性論證

根據我國上行開采的時間和研究，影響上行開采的主要因素有層間距、采高、采煤方法、巖層巖性、煤層傾角、間隔時間等。上下煤層層間距大小是影響上行開采的最主要技術因素。煤層層間距越大，上覆巖（煤）層移動越平緩，產生的傾斜、曲率等各種變形值則越小，越有利于上行式開采。反之，如果上下組煤層間距較近，上行開采會造成上覆巖層移動劇烈，甚至冒落性破壞，導致上組煤無法開采。因此確定安全合理的上行開采層間距，是研究上行開采的首要問題。目前主要采用比值判別法、“三帶”判別法和圍巖平衡法等方法進行分析[1]。

2.1 比值判別法 用采動影響倍數K進行分析，即K為上下煤層之間層間距與下煤層采厚的比值。當下部開采一個煤層時： K=■

式中：H——上下煤層之間的垂距，m；M——下層煤采高，m。

根據我國上行開采的生產實踐及研究證明，當比值K>7.5時，先采下部煤層可以不影響在上煤層內進行正常準備和回采。李陽煤業14號煤為局部可采煤層，14號煤與15號煤聯合布置可視為同一煤層。15號煤層厚度4.65m～8.60m，平均厚度5.76m，采用綜采放頂煤方法開采，工作面采煤機割煤高度2.5m，回采率為95%，放頂煤高度2.26m，回采率為80%，則實際采高為：

m=2.5×0.95+2.26×0.8=4.98m

9號煤層至15號煤層之間的距離62.69-85.19m，平均64m，則K=64/4.98=12.85，遠大于7.5。

2.2 “三帶”判別法 當煤層群中的下部煤層開采后，其上部巖層將受到不同程度的破壞，根據破壞程度不同，可依次分為跨落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶。當上下煤層之間的距離小于或等于下煤層的跨落帶高度時，上層煤形態將遭到嚴重破壞，無法進行上行開采；當上下煤層的層間距大于跨落帶高度小于或等于裂隙帶高度時，上煤層形態只發生中等程度的破壞，采取一定安全措施后，可正常進行上行開采；當上下煤層的層間距大于煤層的裂隙帶高度時，上層煤只發生整體移動，形態不受破壞，可正常進行上行開采。

①15號煤開采后的跨落帶高度

按照單一煤層計算：H=（m-W）[（k-1）×cosα]

式中：W——冒落過程中頂板的下沉值，m，取W=0.1m；k——冒落巖石碎脹系數，取k=1.4；α——煤層傾角，15號煤平均傾角為7°。

計算可得H=（4.98-0.1）/[（1.4-1）×cos7°]=12.29m

②15號煤開采后的裂隙帶高度

按照《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》推薦公式計算。

a計算公式一

H=100∑m÷（1.6∑m+3.6）+5.6

=100×5.76/（1.6×5.76+3.6）+5.6=50.6m

b計算公式二

H=20■+10=20■+10=58.2m

開采15號煤后的裂隙帶高度為58.2m，9號煤層至15號煤層之間的距離在62.60～85.19m，大于裂隙帶高度。

c根據《采礦工程技術手冊》推薦上行開采層間距計算公式進行計算[2]：H>1.14m2+4.14+Δm

式中：H——最小層間距；m——下部煤層采厚，m；Δm——安全系數，取1.0m。

根據實際情況，代入計算可得H>33.4m。

從上述計算結果可以看出，9號煤層位于開采15號煤層的裂隙帶上方，上行開采是可行的、安全的。

2.3 圍巖平衡法 上行開采破壞了采場上覆巖（煤）層的原始應力平衡狀態，引起上覆巖（煤）層的橫向及縱向變形與破壞。上覆巖（煤）層的橫向與縱向離層變形產生大量采動裂隙，破壞煤層，但隨著時間的延長，采動裂隙會重新閉合壓實；而縱向剪切變形則會使煤層發生臺階錯動，破壞煤層整體性，給采煤帶來困難。后者是影響上行開采的最大障礙。可以通過研究采場圍巖力系平衡問題來控制巖層臺階錯動。上下煤層間巖層的巖性及巖層的結構是控制采動影響的重要因素，當層間距較大，層間巖性較堅硬，或巖層有韌性時，上部煤層受到的破壞影響是很小的[3]。15號煤層頂板為泥巖、砂質泥巖，其上有厚度7.6m的K2石灰巖，形成了軟硬巖層相間的結構，比較有利于上行開采。上行開采必要的層間距可按下式估算：H>■+h

式中M——下層煤采高，m；K1——巖石碎脹系數，K1=1.10～1.15，取1.10；h——平衡巖層本身厚度，為7.6m。計算可得H>57.4m，9號煤層至15號煤層之間的距離在62.60～85.19m，位于平衡巖層之上，證明上行開采是可行的。

2.4 回采時間間隔 根據我國上行開采經驗，對于中硬及軟巖層，一般上層煤受下部煤層采動劇烈影響期為4～6個月，對于堅硬巖層則更長些，可達1～2a。李陽煤業15號煤層的服務年限為36.0a，開采9號煤層時，完全避開了15號煤的采動影響期。

3 結語

通過以上幾種方法的分析和計算，李陽煤業9號煤與15號煤的層間距完全滿足上行開采的條件。15號煤采用綜采放頂煤的方法開采，采凈程度較高，只要煤柱留設合適，合理布置開采邊界，就不會對上層煤開采造成困難。同時開采9號煤時，避開了開采15號煤的采動影響期。因此，李陽煤業采用上行開采是安全可行的。

參考文獻：

[1]徐永圻，申通生，王慶康等.煤礦開采學[M].中國礦業大學出版社，1999.

[2]張榮立，何國緯，李鐸等.采礦工程設計手冊[M].煤炭工業出版社，2003.

[3]韓加紅.煤層上行開采可行性分析[J].煤炭科技，2014，2：37-

38.

作者簡介：張萬昂（1988-），男，河南鄧州人，助理采礦工程師，畢業于黑龍江科技大學，從事生產技術管理工作。