黃土坡煤礦蹬空開采可行性分析

周保平

0 引言

因國家資源整合，中小型煤礦兼并改造政策的實施，要求許多小型礦井合并重組，并且同一區域合并后的礦井需更好地規劃開采，提高資源的利用率。目前，整合后的煤礦存在蹬空儲煤量，但該區域受到其他區域的影響，可能出現整體彎曲下沉、裂隙發育增加等現象，將會進一步增加巷道掘進及工作面回采中頂板管理的難度。荷蘭、澳大利亞、美國等發達國家做過一些關于蹬空采煤的研究，但僅限于載荷強度理論計算，僅能起到輔助作用。所以，有必要根據黃土坡現有情況，對蹬空開采的可行性進行進一步研究，用以提高資源利用率。

1 蹬空開采概述

煤礦開采順序一般是按照煤層分布從上至下開采，即下行開采，采空區在現采煤層上方。但是由于裝備技術、采煤技術及生產投資等原因，有時候會優先采掘煤炭賦存條件好，煤質好及水、瓦斯、圍巖狀況好的煤層，人為放棄一部分上層煤層。隨著采煤技術、設備及市場環境和資源儲量的減少，往往需要回采以前放棄的一些上層煤炭資源。這種先采標高低的煤層，后采標高高的煤層的方法稱為上行開采，即蹬空開采[1]。

由于先采下部煤層，會對上部煤層產生一定的影響，如煤層破碎甚至大面積陷落、懸空，頂底板斷裂、破碎，下覆煤層采空區瓦斯涌入，礦壓不穩造成工作面突然陷落等一系列問題，嚴重時將無法回采。

2 工程背景

黃土坡煤礦是山西省煤礦企業兼并重組整合后單獨保留礦井，生產能力60 萬t/a。經過多年開采，3號、7 號煤層已全部采空，11 號煤層已大部分開采。11 號煤層上方的8 號煤層保有資源/儲量2.78 Mt，0.95 Mt 資源已蹬空。如果先采深部的12 號煤層，上方8、9 號煤層處于下方多煤層反復采動影響，更加不利于開采。故決定運用上行開采技術，開采被蹬空的8 號煤層。

8 號煤層煤質為特低灰、中硫、特高熱值的不粘煤，是優質動力煤；上距7 號煤層平均13.48 m，下距9 號煤層平均14.17 m，距11 號煤層平均37.3 m。煤層厚0.63 m～1.82 m，平均1.19 m，為穩定的大部可采煤層。煤層結構簡單，頂板為砂巖、砂質泥巖，底板為砂巖。7 號煤層平均厚度2.31 m，已全部采空；9 號煤層平均厚度1.02 m，全井田尚未開采；11號煤層平均厚度4.81 m，頂板為炭質泥巖、泥巖、粉砂巖，井田內西翼已大部采空，東翼局部采空。

2.1 水區、火區情況

2.1.1 采空區積水情況

井田內主要含水層為寒武系石灰巖含水層組、煤系地層砂巖裂隙含水層組、基巖風化殼裂隙含水層、沖積、洪積含水層組。預計2 號煤層采空區積水34 000 m3，3 號煤層采空區積水31 000 m3，7 號煤層采空區積水74 794 m3。礦井正常涌水量288 m3/d，最大涌水量432 m3/d。考慮采空區積水影響，礦井水文地質條件中等，故開采8 號煤層前應對7 號煤層采空區積水范圍及積水水量進行探查，實施探放水措施。

2.1.2 采空區瓦斯與火情況

低瓦斯礦井煤層相對瓦斯涌出量2.87 m3/t，絕對瓦斯涌出量1.66 m3/min，煤層具有爆炸危險性，屬于自燃煤層。11 號煤層有火區兩處、高溫氧化區兩處，經滅火火區已完全熄滅。

2.2 煤層頂底板情況

根據測試，井田8 號煤層頂板抗壓強度41.6MPa～74.6 MPa，底板抗壓強度56.4MPa～69.1MPa；頂板抗拉強度0.42MPa～0.74MPa，底板抗 拉 強 度0.61MPa～0.9MPa；頂板抗剪強度1.85MPa～6.78MPa，底板抗剪強度1.73MPa～3.68MPa。11號煤層頂板抗壓強度35.4MPa～51.4MPa，底板抗壓強度31.7MPa～73.5MPa；頂板抗拉強度2.45MPa～2.54MPa，底板抗拉強度2.07MPa～2.85MPa；頂板抗剪強度1.89MPa～9.37MPa，底板抗剪強度0.76MPa～2.60MPa。井田內圍巖完整，巖體質量中等，地質類型為Ⅲ類Ⅱ型。8 號煤層頂、底板以厚層狀中、細砂巖為主，均屬堅硬巖層；11 號煤層頂、底板屬中硬～堅硬巖層。

3 蹬空采煤可行性研究

影響上行開采的主要因素有：煤層間距、層間結構、層間巖性、煤層厚度、采高、采煤方法、開采間隔、煤層傾角等。上行開采的可行性判別主要有比值判別法、數理統計分析法、“三帶”判別法、圍巖平衡法等多種理論[2]。

3.1 比值判別法

利用煤層間距和采高的關系衡量上行開采的可行性。采動倍數K 的計算公式：

式中：h ——煤層間距，m；

M ——已采煤層采高，m。

8 號煤層和11 號煤層間距27.03 m～43.85 m，11號煤層厚度3.90 m～5.59 m；采用短壁刀柱式采煤法開采，面長40 m～50 m，每采8 m～10 m 留4 m～5 m煤柱，高度4 m 以下。計算出采動倍數，西翼K=9.25，東翼K=9.16，均大于堅硬巖層時的經驗值8，可以安全進行蹬空開采。

其中：K 的取值根據我國煤礦上行開采的生產實踐和研究得知，當上下煤層之間為堅硬煤層時，K=8；中硬巖層時，K=7.5；軟弱煤層時，K=7[3]。

3.2 “三帶”判別理論

采空區上覆煤層圍巖會產生變形，形成垮落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶。

垮落帶高度Hm的計算公式：

裂隙帶高度H1計算公式：

ΣM 為累計采厚，m；±項為誤差范圍。

經計算，西翼裂隙帶高度50 m，東翼裂隙帶高度44.6 m，8 號煤層位于裂隙帶的高位。侏羅紀煤質堅硬，煤柱有較強的支撐作用，堅硬的整體厚層老頂不易冒落，可形成多支點平板鉸接梁，故只要11 號煤層開采后6 個月頂板穩定，即可上行開采8 號煤層。“三帶”理論在堅硬頂板條件下的可行性有待進一步研究；同時，11 號煤層開采后大部分地段直接頂填不滿采空區，故初期可選擇在11 號煤層短壁刀柱開采時煤柱留設較多的區域進行蹬空開采實驗，取得經驗后推廣[4，5]。

3.3 圍巖平衡法

圍巖平衡高度即下層頂板至平衡圍巖頂板的高度。當上覆巖層為堅硬巖層時，蹬空煤層位于距下煤層最近的平衡圍巖之上，可以進行上行開采。蹬空開采的必要層間距Hb計算公式：

式中：Ks——巖石碎脹系數；

H0——平衡圍巖本身高度。

根據巖性特征，8 號煤層頂板下方西翼至少有14.94 m、東翼至少有11.97 m 的巖層可起到平衡層作用，由公式計算出西翼Hb=28.24 m，東翼Hb=25.27 m，基本滿足蹬空開采條件。

3.4 數理統計分析法

根據我國煤礦上行開采的實例，分析回歸計算得知：受下部煤層采動的影響，上行開采必須的層間距為H，其經驗公式：

式中：M ——下煤層采高，m；

MS——上煤層厚度，m。

黃土坡煤礦開采8 號煤層必須的層間距H=7.59 m。根據黃土坡煤礦井田內不同位置兩個鉆孔資料，8 號煤層的層間距為8.61 m～9.82 m，其煤層的間距大于H=7.59 m，因此按照數理統計分析法判別復采8 號煤層是可行的，即8 號煤層可以進行正常開掘。

4 結論

（1）在堅硬巖層、煤層的大同侏羅系煤田適宜采用比值判別法研究上行開采8 號煤層的可行性。11號煤層采用短壁刀柱和巷柱開采后，由于眾多留設煤柱的支撐及其上部堅硬老頂的平衡作用，可以確保上部8 號煤層基本不受11 號煤層采動影響而保持完整，8 號煤層具備上行開采的可行性。

（2）8 號煤層開采時，應認真防范11 號和7 號煤層采空區瓦斯涌出，加強采、掘工作面的瓦斯監測，做好通風管理工作。

（3）8 號煤層開采前應做好7 號煤層采空區積水的探訪工作，必須遵循“預測預報、有掘必探、先探后掘、先治后采”的十六字方針，制定相應的預測、預報和安全防范措施，防止透水事故發生。

（4）在蹬空區開采，要加強礦壓監測和頂板管理，進行礦壓預報，防止冒頂事故發生。

[1]劉明杰，李東偉，翟群迪.蹬空開采頂底板破壞特征及控制技術[J].遼寧工程技術大學學報，2014，33（6）：758-762.

[2]于文佳，陳慶峰.上深澗煤礦刀柱式采空區上覆煤層蹬空開采可行性分析[J].煤礦安全，2011，42（9）：157-160.

[3]張志康.木瓜礦煤層上行開采可行性分析[J].山西焦煤科技，2009（04）：14-16.

[4]曹繼生.煤礦蹬空開采的探索研究與分析[J].山東煤炭科技，2009（03）：112-113.

[5]馮宇峰，趙杰，王沉.近距離煤層蹬空開采底板應力分布規律[J].煤礦安全，2014（07）：30-33.