金達煤業三采區4號煤蹬空開采研究

陳 杰

（山西煤炭運銷集團金達煤業有限公司，山西 孝義032300）

0 引言

隨著煤炭資源的日益開采，煤炭資源的儲量也越來越少，現有儲量礦井不斷向邊緣區延伸，以及整合前礦井開采不規范，導致部分資源儲量已蹬空，各礦井不同程度面臨地質及開采技術條件越來越復雜，煤炭開采難度顯著增加等技術難題。礦井整合后，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，上行蹬空儲量的開采，對緩解采掘接替緊張、復采遺留煤炭資源、挖掘老礦潛力、促進煤礦安全開采及提高經濟效益具有很大意義。

金達煤業由于歷史遺留問題，煤礦資源整合后，9號煤層回采結束后，4號煤層還遺留有數量可觀的可采煤層，如果能夠對4號煤層進行安全開采，對提升礦井經濟效益，延長礦井服務年限有著重要的意義。所以，有必要根據金達煤業現有情況，對蹬空開采的可行性進行進一步研究。

1 工程概況

金達煤業主要開采4、9、10、11號煤層，其中三采區4號煤層局部開采，9號煤層現已全部開采完，其他煤層尚未開采。4號煤層厚度0.7～1.05 m，平均厚度0.9 m，地層傾角2°～13°，頂板為泥巖和砂質泥巖，底板為泥巖和細砂巖。4號與9號煤層間距為48.70～69.9 m，平均層間距63.08 m。9號煤層厚度0.4～1.4 m，平均厚度1.09 m，頂板為石灰巖，底板為泥巖，9號煤層采用綜合機械化采煤工藝開采，全部垮落法管理頂板，目前已經全部采空。

受9號煤層開采的影響，4號煤層頂底板圍巖的應力狀態已經發生改變，且其頂底板圍巖完整性可能被破壞。由于礦井三采區內4號煤層遺留有大部分資源，且為稀缺的售價高的無煙煤。受9號煤層開采的影響，4號煤層開采屬于上行開采的研究范疇，煤層開采前需要對圍巖的穩定性及開采安全性進行合理的評估。

2 上行開采可行性判定方法

上行開采的前提主要是不破壞上層煤安全有效地開采，這同時也是上行開采技術的核心與關鍵。因而，上行開采首先要解決的問題就是對上覆巖層運動規律的研究及控制，地質條件、開采和頂板管理技術是首要解決問題的3個主要因素。9號煤開采完畢后，判斷是否可進行上行開采可用理論計算、數值模擬及工程類比等方法研究。

2.1 基于理論計算的上覆巖層破壞分析及可行性研究

本文使用的理論計算方法主要有“三帶”判別法、圍巖平衡法、比值K判別法、數理統計分析法以及使用經驗公式判斷合理時間間隔的方法，通過五種不同的理論計算方法對4號煤層是否能蹬空開采進行可行性研究。其中，4號煤層和9號煤層厚度及其頂底板厚度已在工程概況部分中描述。

“三帶”判別法：煤層綜采開采條件下，使用“三帶”判別法時，冒落帶高度以及導水裂隙帶高度的計算公要式采用《建筑物、水體、鐵路及主用井巷煤柱留設與壓煤開采規范》中的經驗公式來進行估算，金達煤業三采區9號煤層頂板為石灰巖，屬于堅硬巖石，所以計算公式選擇堅硬頂板一欄的公式，計算完畢后，若上下煤層的層間距大于下部煤層的裂隙帶高度，則上部煤層只發生整體移動，且整體性不受破壞，可正常進行上行開采。

圍巖平衡法：金達煤業現有情況屬近距離煤層的上行開采，可根據“圍巖平衡法”進行判斷可行性，由于上行開采會破壞上覆巖層原始應力的平衡狀態，平衡狀態一旦破壞，上覆巖層的橫向和縱向也會遭受破壞，上覆巖層的橫向及縱向變形會產生大量采動裂隙，從而會破壞煤層自身的結構，但是隨著時間延長，采動裂隙重新閉合壓實，而縱向的剪切變形則表現為煤層發生臺階錯動，破壞煤層結構。后者是影響上行開采的關鍵因素，控制巖層臺階錯動，實際上就是采場圍巖力學平衡問題。當采場上覆巖層中有堅硬巖層時，上煤層應位于距下煤層最近的平衡巖層之上，便可采用上行開采方法。

比值判別法：用比值判別法判斷上行開采是否成功，主要取決于上下2層煤之間的層間距與下部所采煤層的厚度之比，根據我國煤層上行開采的實踐經驗，當下部開采一個煤層時，若采動影響倍數K＞7.5，上煤層便可正常進行掘進和采煤。

數理統計法：對于數理統計方法，可由我國煤礦蹬空開采的部分實例，得出蹬空開采上下2層煤必須的層間距的經驗公式來進行計算。

合理時間法：對于使用上行開采的合理時間方法，可根據國內上行開采實踐經驗，下層煤的頂板屬于堅硬巖層，便得到合理公式。5種方法公式及結果見表1。

由表1可知：“三帶”判別法經計算得出9號煤開采之后，4號煤位于9號煤的導水裂隙帶之上，即彎曲下沉帶范圍之內，4號煤層只發生整體移動，整體完整性不受破壞，可以上行開采；圍巖平衡法得出9號煤層開采后，上覆巖層圍巖平衡高度12.96 m。4號煤層和9號煤層間距大于上行開采必要的圍巖平衡高度，可進行上行開采；比值判別法得出K值遠大于7.5，4號煤層可進行正常掘進及回采；數理統計法上行開采必須的層間距遠小于9號煤和4號煤的層間距，滿足上行開采條件；使用合理時間方法，由經驗公式計算后，得到9號煤和4號煤的開采時間間隔要大于4個月，根據金達煤業的設計開采情況，該時間間隔滿足要求，即滿足上行開采的要求。

表1 基于理論計算的上可行性研究分析結果表

2.2 基于數值模擬的上覆巖層破壞分析及可行性研究

數值模擬采用F LAC3D計算軟件，模型模擬9號煤層厚度1.09 m；4號煤層厚度0.9 m。模擬時煤層埋藏深度按4號煤層最大埋深350 m考慮，模型上覆巖層的重力按均布載荷施加在模型的上部邊界。模型建好之后按照各個巖層的物理力學參數對巖層進行賦值并施加位移及應力邊界條件，之后將模型運行至平衡狀態，模擬邊界條件由如圖1所示，在已經賦值平衡的模型上進行開挖9號煤工作面，工作面長度分別為160 m，開挖260 m后進行模擬計算，分析9號煤層上覆巖層的塑性區分布情況和垂直及水平應力分布情況。9號煤層開挖后的模型如圖2所示。

圖2 模型開挖示意圖

9號煤采用垮落法管理頂板，礦方目前采用區段煤柱護巷。圖3所示為9號煤開采之后，煤層及上覆巖層不同位置的塑性區分布圖。圖（a）所示為開采之后塑性區分布的正視圖，圖（b）所示為9號煤頂板的塑性區分布俯視圖。4號煤底板未發生塑性變化。

圖3 9號煤開采之后不同位置塑性分布圖

9號煤開采后各巖層初始應力平衡狀態受到破壞，受采動影響，采場周圍的應力重新分布，經過運算后重新達到平衡。圖4（a）—圖4（c）所示為9號煤開采后模型的垂直應力分布正視圖及頂板巖層不同位置的應力分布平面圖。

圖4 9號煤開采前后不同位置垂直應力分布圖

由圖4（b）、（c）可知，9號煤開采之后，上覆巖層在采空區頂板中央部分應力比較低，工作面在煤柱上方出現應力增高區；隨著高度的增加，采空區頂板中央及四周垂直應力逐漸變小，由采空區中央到四周呈現明顯的梯度分布，應力等值線圈的數量隨著高度的增加逐漸變小，說明高度越高，受9號煤的采動影響程度就越小。為研究9號煤開采后的頂板下沉對4號煤層的影響，下面將分析9號煤開采后的位移分布特征，研究上行開采的可行性。

圖5所示為9號煤開采之后模型不同位置的巖層的垂直位移特征圖。由圖5（a）可知，9號煤開采之后，工作面采空區頂板發生下沉，在模型上表面出現了以工作面中央為圓心的下沉區域；在水平方向，模型中央處位移最大，由采空區中央到煤柱位移逐漸變小；垂直方向，9號煤頂板位移量比較大，隨著高度的增加，位移量逐漸變小。由圖5（b）、（c）可知，不同位置的巖層的位移分布以工作面中央為基準形成不同半徑的不規則橢圓形區域，中央處位移量最大。4號煤底板位移量比較小，發生整體的下沉，受9號煤影響程度比較小。

圖5 9號煤開采后不同位置位移特征圖

綜合以上分析結果及2.1節計算的“三帶”高度，可知：9號煤開采之后，在頂板20 m范圍內發生大面積的塑性破壞，頂板20～60 m范圍內的破壞范圍明顯減少，4號煤底板沒有發生明顯的塑性破壞，適合上行開采；4號煤的底板垂直應力由9.5 MPa降低為6.8 MPa，上覆煤層底板的應力得到降低，有利于4號煤層的開采；4號煤及其他煤層頂底板發生整體下沉，在采空區中央的位移量最大，但整體位移量比較小，對上層煤的開采影響不大。因此，9號煤的開采對上覆煤層開采影響比較小，開采9號煤后再開采4號煤層是可行的。

另外，由于9號煤工作面之間采用區段煤柱護巷，由圖3、圖4、圖5分析可知，9號煤開采之后，由于煤柱的支撐作用，在煤柱中產生應力非常明顯的集中現象，頂板不同位置的位移及應力都呈現出由工作面中央到煤壁的變化梯度現象。結合理論分析，9號煤開采之后，4號煤及其頂底板在整體下沉的過程中，由于煤柱的支撐作用，可能會因下沉量不一致導致4號煤頂底板出現臺階下沉現象；在4號煤開采過程中可能出現上層煤應力分布不均勻不利于上行開采。因此應該盡量減少煤柱的支撐效應給上行開采帶來的影響，即采用無煤柱開采技術，既能提高9號煤的回采率，也更加有利于4號煤的上行開采。

3 結論

1）“三帶”判別法、圍巖平衡法、比值判別法、數理統計法經計算可知，現在條件滿足上行開采條件。使用合理時間方法，得到9號煤和4號煤的開采時間間隔要大于4個月，滿足上行開采的要求。

2）利用數值模擬軟件對4號煤層上行開采的可行性進行分析驗證，由數值模擬結果可以看出：4號煤及其頂底板發生整體下沉，在采空區中央的位移量最大，但整體位移量比較小，對上層煤的開采影響不大。