綜合機械化上行開采技術在近距離薄煤層的探索與實踐

魏克強 趙楷棣 劉 石 張 林 時帥帥 王秀峰

(平頂山天安煤業股份有限公司六礦 河南平頂山 467091)

上行開采是煤礦特殊開采方法之一，可分為遠距離上行開采和近距離上行開采。遠距離上行開采層間距一般大于20m，在國內外都有應用，開采經驗及理論相對成熟；而對近距離上行開采的研究較少，傳統的上行開采理論認為，近距離煤層不宜進行上行開采，尤其是煤層間距較近，上煤層薄且采用綜合機械化采煤的情況更不多見。平煤股份四礦屬多煤層開采礦井，其中己15、己16－17煤層部分區域層間距僅為4～15m。由于己15煤層薄，開采效益低，先開采己16－17厚煤層后，使己15薄煤層資源丟失，為多回收煤炭資源，減少損失，決定對己15薄煤層進行上行開采實踐。

一、工作面概況

（一）工作面位置

己15-23060工作面位于二水平己三采區東翼，西至采區邊界，東與采區軌道、皮帶、回風下山相通，相鄰的南、北己15煤層均未開采。該工作面走向長度1220m，傾斜長度170m，地面標高+340～+450m，回采標高-433～-467m，開采垂深850m。工作面里段上部、外段下部20m均位于己16-17-23040和己16-17-23080工作面采空區上方（見圖1），采空區穩定時間25個月。

圖1 已15－23060工作面位置圖

（二）工作面地質條件及煤層賦存情況

該工作面為簡單向斜構造，在向斜東翼施工機巷時揭露落差小于2m的斷層4條，在向斜軸和斷層附近，受構造應力影響，煤層頂板壓力較大，巖石破碎。煤層賦存穩定，煤層走向70～130°，傾角7～12°，一般8°。己15煤層厚度1.3～1.7m，平均厚度為1.5m，偽頂不發育，直接頂為灰色層狀砂質泥巖，夾薄層細砂巖，上部夾有煤線，厚度3～8m；底板為深灰色炭質泥巖，含植物化石，遇水極易膨脹，屬松軟底板，厚度2m左右。下部己16-17煤層，厚度3.5～4.2m，直接頂灰色砂質泥巖，含菱鐵礦結核和植物化石，頂板破碎、隨采隨落，厚度4～12m；底板為砂質泥巖，己15、己16-17煤層間距6～14m，已15煤層頂底板綜合柱狀圖見圖2。

圖2 已15煤層頂底板綜合柱狀圖

二、上行開采技術可行性分析

（一）上行開采與圍巖平衡問題

根據采場圍巖控制研究及生產實踐資料，采場上覆巖體在垂直方向上可分為冒落帶、裂隙帶及彎曲下沉帶。從圍巖平衡的觀點可分為冒落非平衡帶，裂隙帶的下位巖層部分平衡帶，裂隙帶的下位巖層之上的平衡帶。在平衡帶可形成“煤壁—裂隙帶上位巖層—矸石”為支撐體系的平衡巖層結構。平衡巖層結構能阻止上覆巖（煤）層發生縱向臺階錯動，消除上行開采的最大障礙，因此當上煤層位于平衡巖層之上時，即可進行上行開采。

（二）影響上行開采的主要因素分析

影響上行開采的主要因素有層間距、采高、采煤方法、層間巖性及結構、煤層傾角和穩定時間等。足夠的層間距是上行開采的基本條件，采高是影響上覆巖層破壞狀況的根本因素，上、下煤層間距（H）與采高（M）的比值（H/M）越大，上覆煤層移動越平緩，傾斜、曲率等各種變形值越小，越有利于上行開采。采煤方法是控制上覆巖層破壞高度的重要因素，利用全部垮落法管理頂板時，采場上覆巖層一般都形成“三帶”，對上行開采不利。層間巖石力學性質及結構一定程度上影響上覆巖層破壞高度，當頂板巖石硬度較高時，冒落帶和裂隙帶發育較高，巖層主要以斷塊充填采空區；當頂板巖石強度較低時，冒落帶和裂隙帶發育較低，主要以巖層彎曲充填采空區。煤層傾角主要影響采場上覆巖層破壞的空間形態，布置回采工作面應考慮空間位置。回采穩定時間是成功實現上行開采的關鍵，上行開采時，上下煤層的回采應有足夠的間隔時間，否則，即使有足夠的層間距，上行開采也會遇到困難。

（三）上行開采的可行性

針對己15、己16-17煤層間距及層間巖性特點，按圍巖平衡、采動影響倍數等上行開采理論是難以進行上行開采的。為了驗證己15煤層能否進行上行開采，在工作面布置時，將工作面下段布置在采空區上方，上段布置在實體煤內，機巷位于距己16-17實體煤20m的采空區上方，機巷這樣布置，一方面能探清采空區上方己15煤層的破壞情況，另一方面可以從機巷向實體煤作探巷，探清采空區與實體煤交界處己15煤是否有臺階錯動。從施工揭露情況看，采空區上方己15煤層起伏變化不大，煤厚穩定，受采空區影響彎曲下沉變形破壞不明顯，采空區與實體煤交界處出現臺階錯動，錯距400～600mm，對回采影響不大。根據現場觀測資料，經過論證分析，認為對己15-23060工作面進行上行開采是可行的。

三、開采實踐

（一）工作面機、風兩巷情況

己15-23060工作面機巷布置在己16-17-23080采空區上方，距己16－17-23080工作面風巷20m。該巷采用工字鋼架棚支護，棚距600mm。從掘進到回采，巷道變形量不大，壓力顯現不明顯，僅在工作面超前支承壓力的影響下才出現變形，頂底板最大變形速度6.3mm/d，兩幫移近速度3.2mm/d。工作面風巷里段340m布置在己16-17-23040采空區上方，巷道支護與維護情況同機巷類似。風巷外段700m布置在己16-17-23040工作面下方的己16-17實體煤上。為了避開集中支承壓力影響，采用留小煤柱法，將己15-23060工作面風巷與己16-17-23040工作面機巷中到中7m平行布置。該段巷道采用錨、網、索聯合支護，Φ20mm×2400mm左旋樹脂錨桿，錨桿間排距700mm×700mm，頂、幫均鋪8號冷拔絲金屬網，錨索長6.5m，每排布置2根，排距1.4m。在巷道施工期間，由于受集中支承壓力影響，巷道出現較大變形，頂底板最大變形速度65mm/d，兩幫移近速度16mm/d。由于巷道變形嚴重，工作面投產前多次拉底整修，工作面投產后連續不間斷拉底才保證了正常生產。

（二）工作面回采情況

己15-23060工作面采用走向長壁采煤法，全部垮落法管理頂板。工作面采用ZY2600—10/22型兩柱掩護式液壓支架，MG132/320—W型采煤機，SGZ630/220型刮板輸送機。自開缺口，斜切進刀，雙向割煤，截深600mm。

該工作面的回采時間為10個月，從回采情況看，位于采空區之上的工作面壓力小，老頂周期來壓不明顯，推進速度快，產量高；位于實體煤之上的工作面壓力大，老頂周期來壓明顯；在采空區與實體煤交界處，工作面有臺階錯動，揭露最大錯距700mm，對回采影響不大。