山西長治羊頭嶺北峙峪煤業有限公司9號煤層蹬空開采論證

郝 權

（山西長治羊頭嶺北峙峪煤業有限公司， 山西 長治 046000）

煤礦下部煤層巷柱式開采后，再對上層煤進行回采，既不符合低瓦斯礦井煤層開采的“由上向下”的順序規定，也會給上覆煤層開采帶來很大的潛在安全隱患。由于山西長治羊頭嶺北峙峪煤業有限公司下覆15號煤層開采后的頂板冒落高度、裂隙帶高度都是未知數，對9號煤層的底板破壞程度的大小直接影響9號煤層的回采安全。因此在開采9號煤之前，首先對原15號煤層的開采情況進行周密調查、鉆探、計算、分析、研究和論證，徹底搞清楚15號煤層在歷史開采后頂板的冒落帶和裂隙帶情況和對9號煤層底板的影響程度，為9號煤層的開采提供可靠的技術依據，確保9號煤層回采的安全。

1 工程概況

為回收9號煤層一采區回風巷以北的煤炭資源，準確掌握本回采區域內的水文地質、煤層賦存參數等情況，必須通過多種可行的方式進行論證。經礦委會研究決定：先進行探巷勘探，在探巷施工過程中對其底板進行鉆探探測。其施工具體位置、底板情況及下覆煤層敘述如下。

1）本煤層情況：計劃在9號煤一采區回風巷以北施工1號、2號探巷，進而開掘切眼，形成一個壁式開采的回采工作面進行回采，而兩條此探巷位于一采區回風巷北側，西側為主斜井，東側為村莊保安煤柱，經過調查，這塊煤田是實體煤。

2）下層煤情況：1號、2號探巷下部距離15號煤層約30 m，其中間有三層石灰巖，由上至下依次為k4、k3和k2，其普氏系數f=6左右，硬度較大。k4層厚度為3.95 m、k3層厚度為3.35 m、k2層厚度為5.7 m，其余大部分為砂質泥巖，普氏系數f=3，還有1.8 m厚的粉砂巖，普氏系數f=5。

2 探巷施工風險性論證

2.1 下覆15號煤層開采情況調查

9號煤層計劃施工的1號、2號探巷的下覆15號煤層已經開采過，據調查是采用巷柱式采煤法開采，該方法一般是先掘進4 m寬的數條巷道，中間留有20 m左右的煤柱，每隔50 m在兩巷之間開掘一條聯巷，當掘進至設計位置時，從里向外逐漸擴幫退出，直至擴幫至距離巷口20 m停止。從開掘巷道至向兩側擴幫，一般寬度為10～16 m左右，擴幫后，兩巷道中間一般留有8～14 m寬度不等的煤柱支撐著頂板。

2.2 利用下覆采動區內垮落帶高度論證

采用長壁式采煤采空區垮落帶高度進行預測比對。根據《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規范》（2017年5月）計算垮落帶高度。

因為15號煤層直接頂為k2石灰巖，普氏系數f=6，所以這里采用如下公式計算：

通過以上計算，不難看出計算結果比9號至15號的層間距小，也就是說，即使是長壁式開采，垮落帶也不會波及到9號煤層底板。

表1 厚煤層（0°～54°）分層開采的垮落帶高度計算公式

2.3 按照自然平衡拱冒落帶高度預測對比

普氏理論認為冒落帶的形狀為拋物線，其冒落高度可以用下式計算：

式中：a為巷道半寬；f為各巖層疊加后的普氏系數，取加權平均值2。

分析巷道冒落高度數據，與9號、15號層間距30 m進行對比，即使巷道有冒落，其高度只有采高的2倍左右，不會波及到9號煤層的底板，據此推斷探巷施工是安全的。

2.4 在探巷中底板進行鉆探探測驗證

為了徹底探清1號、2號探巷之間資源區下覆15號煤層采動后對上覆9號煤層的破壞程度，一方面進行巷道探測，另一方面在探巷的底板布孔進行鉆探驗證。

2.4.1 探巷驗證

在1號、2號探巷施工過程中，采用炮掘，巷道寬度為3.5 m，高度為2.2 m，沿著頂板向前掘進，由于煤層厚度為1.25 m，所以臥底0.95 m。頂板為泥巖或砂質泥巖，底板為細砂質泥巖。支護方式為錨網索支護，錨桿間排距為0.9 m，錨索間距為1.8 m，排距為2.7 m，頂板破碎時加設自制鋼筋梯子梁。錨桿直徑18 mm，長度2000 mm，左螺旋無縱筋，錨索直徑17.8 mm，長度5000 mm。鋼筋網直徑4 mm，網片長1.7 m，寬度1.1 m。

在掘進過程中未發現頂板和底板受15號煤層采動影響的裂隙，明顯的表現是，掘進過程中有9號煤層頂板錨索鉆孔在鉆進至4 m時開始出水，經過與ZK-1水文鉆孔柱狀圖對比，為砂巖含水層水，在9號煤層頂板3.35 m內為泥巖或砂質泥巖，本層為良好的隔水層，之上是2.45 m厚的細砂巖和粉砂巖，再向上又是1.55 m厚的泥巖，所以工作面頂板的錨索鉆孔的水是砂巖含水層水，通過錨索鉆孔進入掘進工作面。倘若1號探巷和2號探巷施工的地方受到原15號煤層采動的影響波及到9號煤層使9號煤層頂底板形成裂隙，那么砂巖含水層的水就會沿著裂隙泄入15號煤層采空區，現在掘進的巷道頂板就會沒有淋水，或鉆孔就不會出水。

所以，經過巷探驗證，原15號煤層的采動對9號煤層底板和頂板沒有影響。

2.4.2 鉆探探測驗證

在1號探巷和2號探巷施工過后，緊接著在后面巷道中布置鉆孔驗證底板的破壞情況和深度。

1）鉆孔的布置。巷道每掘進30 m向底板布置一個鉆孔，鉆孔深度為30 m，鉆孔方向在1號探巷中鉆孔剖面垂直于2號探巷（俯角30°），鉆孔與鉛錘方向形成60°的夾角，在2號探巷中鉆孔剖面垂直于1號探巷的方向（俯角30°），與鉛錘方向形成60°的夾角。

2）鉆探工具。采用ZYD1200S型巖石鉆機進行鉆進。

3）鉆探成果。通過對1號、2號探巷底板的鉆進，鉆進深度30 m鉆進角度俯斜向下30°，沒有一個鉆孔出現漏水現象。說明在9號底板以下15 m的范圍內沒有裂隙，進而說明原15號煤層采動后，其頂板沒有冒落，對9號煤層的采掘沒有影響。

2.5 其他因素論證

本探巷的下覆15號煤層原為巷柱式采煤法，巷道采寬一般最寬16 m左右，兩巷道中間最小留有8 m寬度不等的煤柱支撐著頂板。

15號煤層底板為4～5 m的灰黑色鋁質泥巖，硬度較小，遇水膨脹。

根據1511、15101和15102回采工作面的回采經驗：這幾個工作面在回采過程中其運輸順槽和回風順槽在超前壓力下呈現底鼓現象，幫部也在逐漸收斂，特別是在1511工作面回采時，其中間有一條與工作面垂直的舊巷道，隨著回采工作面的向前推進，礦壓逐漸顯現，舊巷受壓嚴重，底鼓、幫部收斂十分明顯，巷道底鼓收斂使得底板和頂板接觸在了一起，方言叫“親嘴”，可是頂板沒有冒落，只是底板鼓起，幫部收斂形成的。

15號煤層頂板為石灰巖，硬度大，底板為泥巖，遇水膨脹，在這樣的條件下，探巷下覆的15號煤采動區也會出現“親嘴”現象，這樣就會阻止頂板的下沉和冒落，對巷道頂板的冒落起保護作用，進而9號煤層的底板也不會出現下沉和裂隙。

2.6 水文地質方面論證可行性

9號煤層上覆k5石灰巖是一層強含水層，下覆k4石灰巖也是強含水層。

在ZK4孔9號煤充水含水地層C3t上部k5灰巖與砂巖含水層混合抽水，靜止水位埋深57.45 m，單位涌水量為3.138～4.494 L/（s·m），滲透系數平均19.6374 m/d，屬強富水性。在探巷施工中為上山掘進勘探，水會自行流出工作面進入水倉，探巷施工較為安全。

15號煤充水含水地層k2、k3、k4灰巖及砂巖含水地層混合抽水試驗，靜止水位埋深125.63 m，單位涌水量為4.786～7.152 L/（s·m），滲透系數平均為25.1673 m/d，屬強—極強富水性。其中k4石灰巖為9號煤層的底板，雖然9號煤層底板的k4石灰巖是強富水性，但是在施工9號煤層采區水倉的過程中曾經揭露了k4石灰巖的溶洞，現場發現溶洞中沒有水，再則現在施工的探巷底板標高高于9號煤層采區水倉底部的標高。據此判斷探巷的底板k4石灰巖中沒有水。因此探巷施工是安全的。

3 結語

通過以上分析論證，在15號煤上部1號、2號探巷附近進行采掘活動不會受到蹬空、水患、采空區、鉆孔、廢棄井筒等的影響，采掘施工是安全的，進而形成的9104壁式回采工作面進行回采是安全的。

目前該回采工作面已經回采了180 m，周期來壓已經過去9次，在回采過程中頂、底板和幫部沒有發現任何裂縫和壓力凸顯現象，回采工作面支架和頂板沒有任何異常現象。