西銘礦7號煤層蹬空開采可行性分析

張 勇

（山西西山煤電股份公司西銘礦，山西 太原 030052）

西銘礦由于煤層賦存條件和開采技術(shù)條件限制，首先對2、3上、3下、8 和9 號煤層進(jìn)行了開采，且均已采完。8 和9 號煤層的開采對6、7 號煤層，造成部分區(qū)域蹬空。6、7 號均為薄煤層，6 號煤層屬局部可采的極不穩(wěn)定煤層，7 號煤層屬大部可采的較穩(wěn)定煤層。為了保證礦井生產(chǎn)接續(xù)，進(jìn)一步提高資源回收率，實(shí)現(xiàn)煤礦可持續(xù)發(fā)展，對7 號薄煤層蹬空區(qū)域的開采進(jìn)行可行性論證。

1 工程概況

7 號煤層位于太原組上部，上距6 號煤層2.88～33.54 m，平均24.90 m，煤厚0～1.24 m，平均為0.87 m，屬大部可采的較穩(wěn)定煤層。7 號煤層頂板為石灰?guī)r（斜道灰?guī)r），厚0.8～3.88 m，平均2.11 m，深灰～灰黑色，為生物屑泥晶（含泥）灰?guī)r，性堅(jiān)韌，發(fā)育黃鐵礦，含大量海相植物化石；老頂為粗粒砂巖（K4），厚0～21.6 m，平均12.04 m，灰白色，石英為主，中上部為細(xì)砂巖，下部粒度變粗，分選性差。底板為泥巖、砂質(zhì)泥巖，厚0.2～7.65 m，平均3.31 m，灰黑色，具植物根莖化石。

西銘礦主要回采2、3下、8、9 號煤層，3上、3下號煤層在可采區(qū)域內(nèi)除保護(hù)煤柱外已采完。開采8、9號煤層對上部的7 號煤層會(huì)產(chǎn)生一定影響，造成7號煤層部分區(qū)域出現(xiàn)蹬空狀態(tài)。現(xiàn)針對8、9 號煤層開采對7 號薄煤層造成蹬空區(qū)域開采進(jìn)行可行性論證。

2 蹬空開采可行性論證

2.1 采動(dòng)影響倍數(shù)法

在研究上行蹬空開采時(shí)，上下煤層的層間距與下煤層的采高是影響是否可以蹬空開采的重要因素，將層間距與下煤層采高之比定義為采動(dòng)影響系數(shù)。目前，國內(nèi)煤層間能否采用上行蹬空開采的各種判別方法中，大都將層間距和下煤層采高比值作為判別的主要方法之一。可由下式計(jì)算[1]。

采動(dòng)影響倍數(shù)K 為：

K=H/M

式中：H 為上下煤層之間的垂距，m；M 為下煤層的采厚，m。

由于8 號和9 號煤層開采采用的是聯(lián)合布置，下煤層的采厚為8 號和9 號煤層的總厚度，根據(jù)煤系地層綜合柱狀圖，8 煤層的厚度為3.95 m，9 煤層的厚度為3.31 m，公式中下煤層的采厚為7.26 m。

8、9 號煤層與7 號煤層的距離為21.1 m，代入公式得K=2.91。國內(nèi)房采殘采區(qū)蹬空開采的實(shí)踐及理論研究證明[1]，當(dāng)K＞7.5 時(shí)，上行開采可安全進(jìn)行，但8、9 號煤層對7 號煤層的采動(dòng)影響倍數(shù)（K）小于7.5，先采下位8、9 號煤層會(huì)影響上部7 號煤層的安全開采。因此，7 號煤層蹬空區(qū)域不能安全開采。

2.2 “三帶”判別理論

當(dāng)煤層的上覆巖層為中硬巖層時(shí)，導(dǎo)水裂隙帶高度可用公式計(jì)算[2]。

Hh=(12～18)M

式中：Hh為導(dǎo)水裂隙帶高度，m；M 為采厚，m。

開采的總厚度為7.26 m。將其代入公式計(jì)算，8號和9 號煤層開采后的導(dǎo)水裂隙帶高度為87.12～130.68 m，8 號和9 號煤層與7 號煤層的間距為21.1 m，8 號和9 號煤層開采后的導(dǎo)水裂隙帶高度大于層間距，7 號煤層蹬空區(qū)域不能安全開采。

2.3 圍巖平衡法

采場上覆巖體從圍巖平衡角度出發(fā)，可以將巖層分為平衡帶和非平衡帶，下煤層回采過程中，能夠不發(fā)生臺(tái)階錯(cuò)動(dòng)結(jié)構(gòu)的頂板巖層稱為平衡巖層。當(dāng)上層煤位于下層煤開采的平衡巖層之上時(shí)，則可以安全蹬空開采，蹬空開采必要的圍巖平衡高度計(jì)算公式為[3]：

式中：M 為煤層開采高度m（8 和9 號煤層開采的總厚度為7.26 m）；K 為碎脹系數(shù)，取1.15；h 為平衡巖層本身厚度，m。

根據(jù)煤系地層綜合柱狀圖，8 號和9 號煤層與7 號煤層間距為21.1 m，7 號煤層的平衡巖層本身厚度7.76 m。將數(shù)據(jù)代入公式，蹬空開采必要的圍巖平衡高度56.16 m，其高度大于21.1 m。因此，7號煤層的蹬空區(qū)域不能安全開采。

2.4 數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析法

由我國煤礦蹬空開采的部分實(shí)例，得出蹬空開采上下兩煤層必須的層間距經(jīng)驗(yàn)公式為[2]：

H＞1.14M+4.14+MS

式中：M 為下煤層采高，m；MS 為上煤厚度，m。

8 號和9 號煤層開采的總厚度為7.26 m，7 號煤層煤厚0～1.24 m，平均為0.87 m，取1.24 m 時(shí)，蹬空開采必須的層間距為13.65 m，而實(shí)際8 號煤和7號煤的層間距為21.1 m，滿足蹬空開采條件。

2.5 數(shù)值模擬法

采用FLAC3D結(jié)合下層煤18301 工作面煤巖層頂?shù)装鍘r石力學(xué)性質(zhì)，建立數(shù)值模擬模型，模型的走向長度為400 m，傾斜長度400 m，高度170.5 m。模擬當(dāng)下部工作面開采時(shí)的上覆巖層的位移、應(yīng)力變化情況，進(jìn)而得出下層煤的開采上覆巖層破壞高度，進(jìn)一步判斷上層煤是否可以安全蹬空開采，其數(shù)值模擬結(jié)果見圖1、圖2。

圖1 模型開挖后覆巖塑性區(qū)

圖2 模型開挖后覆巖應(yīng)力

通過數(shù)值模擬結(jié)果可以得到，8 號煤層的導(dǎo)水裂隙帶高度49.3～52.5 m。均大于8 號煤層與7 號煤層的間距。因此，7 號煤層的蹬空區(qū)域不能安全開采。

2.6 頂?shù)装迤茐囊?guī)律實(shí)測法

為了觀測下部8、9 煤層工作面開采后的覆巖破壞情況，18301 工作面的頂板“三帶”和底板“下三帶”發(fā)育情況，在18301 底抽巷布置4 個(gè)鉆孔，分別觀測頂?shù)装濉叭龓А保妶D3。

圖3 18301 工作面“三帶”觀測孔施工地點(diǎn)范圍

試驗(yàn)孔開口先用Φ127 mm 鉆頭鉆進(jìn)，鉆進(jìn)至穿過破碎帶，下Φ108 mm 套管，套管外側(cè)焊接一個(gè)配套法蘭盤并配備閘閥，并用高標(biāo)號水泥封套管外壁與鉆孔中間空隙。然后用Φ75 mm 鉆頭鉆進(jìn)，直至終孔，終孔后關(guān)閉套管閘閥，防止采空區(qū)中積水和瓦斯大量涌入工作面。

實(shí)測結(jié)果顯示：8 號煤層的導(dǎo)水裂隙帶高度49.5～60.0 m。8 號煤層與7 號煤層間距為22.1 m，小于8 號煤層的導(dǎo)水裂隙帶高度，7 號煤層不符合蹬空開采要求。

3 蹬空開采論證結(jié)果

根據(jù)山西省煤炭工業(yè)廳文件晉煤行發(fā)[2014]1561 號文件《關(guān)于下達(dá)〈山西省煤炭工業(yè)廳煤礦特殊條件開采暫行管理辦法〉的通知》的要求，結(jié)合山西省西山煤田西銘煤礦的資源儲(chǔ)量、地質(zhì)特征、水文條件，分別采用了采動(dòng)影響倍數(shù)法、“三帶”判別理論計(jì)算、圍巖平衡判別法、數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析法、頂?shù)装迤茐囊?guī)律數(shù)值模擬分析和頂?shù)装迤茐囊?guī)律現(xiàn)場實(shí)測，對西銘煤礦的薄煤層的蹬空開采分析得出以下結(jié)論：

1）采動(dòng)影響倍數(shù)分析：7 號煤層蹬空區(qū)域不能安全開采。

2）“三帶”判別：7 號煤層的蹬空區(qū)域不能安全開采。

3）圍巖平衡高度分析：7 號煤層的蹬空區(qū)域不能安全開采。

4）數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析：7 號煤層符合蹬空開采條件。

5）主采煤層頂板破壞數(shù)值模擬結(jié)果顯示：7 號煤層的蹬空區(qū)域不能安全開采。

6）主采煤層頂板破壞井下實(shí)測：7 號煤層的蹬空區(qū)域不能安全開采。

綜上所述：7 號煤層蹬空區(qū)域資源不符合蹬空開采的安全要求。