溫莊煤業3號煤層蹬空開采可行性論證

劉 浡

(山西焦煤股份公司 生產部，山西 太原 030021)

1 項目背景

根據《關于山西潞安溫莊煤業有限責任公司礦井兼并重組整合項目初步設計變更的批復》(晉煤基局發〔2015〕10號文)的批復意見，溫莊煤業投產后在15號和3號煤層各布置1個回采工作面，共同達到120萬t/a的設計產能。但由于投產時正值煤炭低迷，加之3號煤層的首采區處于井田南部，煤層較薄，夾矸較厚，其生產成本遠遠大于銷售收入，故礦井3號煤層在竣工驗收后一直處于未開采狀態，僅在15號煤層進行了采掘活動，因此，造成了3號煤層蹬空。

經過多年開采，現階段15號煤層一、二采區剩余儲量服務年限僅為6 a，而其三采區資源均為鐵路、公路、村莊等“三下”壓煤，且地質條件復雜，開采難度巨大，暫不考慮開采。鑒于此，為有效延長礦井服務年限，提高資源回收率，并且考慮到現行煤價回升，論證礦井3號煤層蹬空開采已迫在眉睫。

2 蹬空開采技術要求

蹬空開采是指礦井已經開采了下部煤層，使上部未采煤層形成了蹬空，在滿足安全開采條件的前提下，對上部未采煤層進行開采。蹬空開采應遵循煤炭資源優化利用、企業經濟利益與社會效益最大化原則，凡安全上可靠、技術上可行、經濟上合理，必須進行開采；在目前技術條件下難以開采，但采取特殊措施之后經濟上合理的，可以進行開采。蹬空開采必須經嚴格技術論證，滿足要求的情況下，可以進行試采，實施蹬空開采的煤層必須滿足以下條件：

1) 上部蹬空煤層原則上應位于下部煤層開采裂隙帶高度以上，若上部煤層位于下部煤層裂隙帶高度以內，必須制定有針對性的、切實可行的安全技術保證措施[1]。

2) 蹬空開采的最小層間距不小于下部煤層開采所形成的垮落帶的高度[2]。

3) 先期開采的下部煤層的上覆巖層移動已經完全穩定[3]。

蹬空開采的煤礦，在編制可行性研究報告時，應通過采動影響倍數法、“三帶”判別理論、圍巖平衡判別法等對上部煤層蹬空開采的可行性作出初步判定，同時還應根據現場條件制定針對性的安全技術保證措施。

3 儲量蹬空開采論證

3.1 采動影響倍數法

煤層間距與下覆煤層采厚之比的計算公式如下：

式中：K為煤層間距與下覆煤層采厚之比，單位為倍；H間為煤層間距，3號煤層到15號煤層間距取最小值105 m。M為煤層的開采厚度，15號煤層最大開采厚度為4.91 m；K取21.4。

根據經驗數據，煤層間距與煤層采厚之比大于6～8倍時，下部煤層開采后不會破壞上覆煤層的完整性，其蹬空開采是可行的。因此，根據采動影響倍數法，15號煤層采空后，開采上覆的3號煤層是可行的。

3.2 數理統計法

影響上覆煤層開采最小間距的計算，公式如下：

H>1.14M2+4.14+△M

式中：H為影響上覆煤層開采的最小間距，m；M為煤層的開采厚度，15號煤層最大開采厚度為4.91 m；Δ為系數應≤1，取1。

根據上式可知：開采15號煤層影響上覆煤層開采的最小間距為36.53 m <105 m；因此，根據數理統計法，15號煤層開采后，開采上覆的3號煤層是可行的。

3.3 垮落帶最大高度分析法

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版)，垮落帶最大高度計算如下(頂板按中硬頂板)：

式中：Hm為煤層采后所形成的垮落帶最大高度，m；M為累計采厚度，15號煤層最大開采厚度為4.91 m。

經計算垮落帶最大高度為13.9 m<105 m；因此，15號煤層開采后，根據垮落帶最大高度計算，開采上覆的3號煤層是可行的。

3.4 導水裂縫帶最大高度分析法

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版)，導水裂縫帶最大高度計算(15號煤層頂板為石灰巖和砂質泥巖，按中硬頂板)：

(1)

(2)

式中：Hli為導水裂縫帶高度，m；∑M為累計采厚度，15號煤層最大開采厚度為4.91 m；15號煤層到3號煤層間距取最小值105 m。

按公式(1)計算可得：導水裂縫帶高度為48.5 m<105 m，按公式(2)計算可得：導水裂縫帶高度為54.3 m<105 m。因此，15號煤層開采后，根據導水裂縫帶最大高度計算，開采上覆的3號煤層是可行的。

3.5 圍巖平衡法

在開采過程中，能夠形成不發生臺階錯動的平衡巖層結構稱為平衡巖層。

上行開采的基本原則是：①當采場上覆巖層中有堅硬、中硬巖層時，上部煤層應位于下部煤層最近的平衡巖層之上；②當采場上覆巖層均為軟巖層時，上部煤層應位于裂隙帶內；③上部煤層應在下部煤層采空區引起的上覆巖層移動穩定之后進行開采。

結合溫莊煤業煤層賦存條件及其覆巖巖性、結構，可以找到15號煤層開采后其覆巖上的平衡巖層。15號煤層上覆巖層為K2、 K3、 K4、 K5、 K6和K7，共6層石灰巖，屬中硬巖層，6層石灰巖起到平衡巖層作用，阻止了平衡巖層上覆的煤(巖)層產生縱向臺階錯動，從而消除了(上行開采)開采3號煤層的最大障礙。確定3號煤層位于平衡巖層之上的平衡煤(巖)層之后，還必須確認下部15號煤層采后引起上覆巖層移動已經穩定(約3～5 a)，這時方可進行開采，這樣才能確保安全地進行采掘。

4 結 語

綜上所述，在15號煤層采空區穩定開采后，對3號煤層進行蹬空開采是可行的，但是建議3號煤層的巷道支護、工作面支護、礦壓監測等方面要采取綜合性措施。