刀柱采空區上部煤層蹬空開采實踐

王 強

（大同煤礦集團同生精通興旺煤業有限公司，山西 大同 037003）

1 概述

煤礦開采大多是從上向下開采，但受裝備技術、開采技術以及開采成本等因素的影響，有時也會優先開采那些煤質較好、賦存穩定、瓦斯以及圍巖狀況都相對較好的下層優質煤層，即蹬空開采。

進行蹬空開采作業時，若上覆煤層存在嚴重破碎性，出現大面積陷落現象、懸空，發生嚴重的頂底板斷裂、破碎，下覆煤層存在嚴重的采空區瓦斯涌出，礦壓不穩定現象等，將會嚴重影響到煤礦蹬空開采作業的順利進行。因此，研究煤礦蹬空開采的可行性十分重要。

2 蹬空開采可行性研究方法

9#層8101工作面刀柱采空區上部煤層蹬空開采時，下部12-2#層開采方式為采8～18m、留設3～5m煤柱的刀柱式采煤方法。12-2#煤層厚2.05～6.27m，平均4.47m，最大采高6.27m。蹬空開采時，下層的頂板已經垮落，對本工作面煤層開采造成影響，這主要取決于下層煤層開采的影響范圍與本工作面位置關系以及地質條件、巖性。因此，在論證蹬空開采可行性時，合理的層間距是首要問題。

在實際生產作業中，為深入研究煤礦蹬空開采的可行性，必須深入分析下部開采“三帶”影響范圍并進行詳細計算。

煤層開采時，其上部的煤層受采動影響會逐漸垮落，按照垮落程度不同，自下而上分為冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶，下圖1為“三帶分布圖”。若上部煤層處于冒落帶中，煤層必然遭受破壞，無法開采；若上部煤層處于裂隙帶中，煤層會根據裂隙情況受部分程度的破壞，在采取措施后，可以開采。若上部煤層處于彎曲下沉帶中，煤層基本不遭受破壞，可以開采。本工作面對應位置9#層與12-2#層間距平均53.71m。

假定12-2#煤層煤柱全部破壞，頂板全部垮落，按長壁全部垮落式開采法預計，假定采寬為（8+18）/2=13m、煤柱寬為（3+5）/2=4m，則平均采出率為13/（13+4）=76%，平均采出厚度為5.0×76%=3.8m，最大采出厚度為6.27×76%=4.7652m。

圖1 “三帶”分布圖

根據《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設及壓煤開采規程》，按平均采出厚度計算的垮落帶最大高度為（式中∑M為累計采出厚度）：

按最大采出厚度計算的垮落帶最大高度為：

按平均采出厚度計算的裂隙帶最大高度為：

按最大采出厚度計算的裂隙帶最大高度為：

按下部煤層開采后上覆巖層冒落碎脹系數K保守估算冒落帶高度。冒落帶高度主要取決于采出厚度和冒落巖層的碎脹系數，通常為采出厚度的3～5倍；薄煤層開采時，一般為采出厚度的1.7倍左右；頂板巖石堅硬時，冒落帶高度較大，為采出厚度的5～6倍；頂板巖石松軟時，冒落帶高度較小，為采出厚度的2～4倍。

計算公示為：

式中：

h-煤層采高，取平均采出厚度值3.8m，最大采出厚度4.7652m；

K-巖石碎脹系數，K值一般在1.15～1.3，初始碎脹取1.25，殘余碎脹取1.10。

取初始碎脹系數1.25代入公示得hm=15.2～19.1m；取殘余碎脹系數1.10代入公示得hm=38.0～47.65m。

根據上述計算，按最差情況考慮，8101工作面煤將處于裂隙帶中，甚至部分處于彎曲下沉帶中，因此受影響較小，采取一定措施后可以進行開采。

3 開采安全措施

3.1 加強礦壓監測及頂板管理工作

（1）在工作面兩順槽每隔10m布置一組測量頂底板移近量及移近速度的基點，頂底板基點垂直對應并安設牢固。

（2）加大回采工作面頂板壓力觀測，在通常所采用的“三區五線”基礎上，在工作面中部增加兩條以上測線，嚴密監控工作面支架工作狀態。

（3）加大礦壓監測密度，工作面由通常日采集數據頻率加大到每班采集數據，并及時分析、反饋。

（4）順槽頂底板基點測量在超前支護范圍內必須做到班班有數據，超前支護外30m范圍內基點測量必須做到日日有數據，并保證數據真實可靠。

（5）為保證工作面控頂范圍內圍巖的整體性，避免工作面局部或整體失穩，應提高支架初撐力，實現追機移架和擦頂移架。

（6）加大超前支護支護范圍，在頂底板移近量數據異常或頂板破碎、巷道片幫嚴重的情況下，超前支護支護范圍增加至30～50m，縮小支護間距，煤層底板有松軟現象，單體支柱必須穿鐵鞋。

（7）嚴格執行工作面初次放頂及步距放頂工作，開采過程中，密切注意頂板活動情況，發現采空區大面積懸板或塌落，應停止生產采取強制放頂。

3.2 加強通風管理工作

（1）加強工作面風量管理，發現工作面進回風量誤差大于規定值時必須查明原因并采取相應措施。

（2）加強一氧化碳及瓦斯等有害氣體的檢測工作，采取加大風量、瓦斯排放等措施，防止瓦斯超限。

（3）回采工作面形成后，在兩順槽每隔20m向下層進行鉆探，探測有害氣體，探明下部冒落帶距離及底板孔隙、裂隙分布規律。

（4）日常回采工作中，若檢測到工作面底板有裂縫時，必須采用高標號水泥加速凝劑水泥漿進行噴注裂縫處，起到密封效果。

（5）若工作面底板出現臺階下沉或貫通裂縫時，根據實際情況應采用鉆孔注水泥砂漿或裂縫注漿方式，注漿深度不得小于10m。

4 結論

興旺煤礦9#層8101工作面開采期間，從9#層工作面兩順槽向下層進行鉆探，探明距裂隙帶距離最小為19m，煤柱垮落后致使上部頂板冒落，裂隙帶最大高度為38m。工作面開采期間僅觀測到頂底板存在少量移近情況，未出現臺階下沉情況，移近量最大為22mm，充分說明了蹬空開采可行性分析的三帶高度的準確性，其冒落區域對應9#層位置處于彎曲下沉帶。