近距離煤層上行開采可行性研究及支架適應性分析

嚴紅兵

（霍州煤電集團公司汾河焦煤有限公司三交河煤礦，山西 洪洞 041600）

0 引 言

隨著我國煤炭資源多年來的高強度開采，一些賦存條件較好，開采容易的煤層已接近枯竭，很多礦區都面臨著近距離煤層開采的問題。從開采順序上來講，近距離煤層開采可分為上行開采和下行開采，相比而言，下行開采的方法適用范圍更廣，開采工序較為簡單，是目前開采近距離煤層的主要方法[1]。在汾西集團中盛煤業，主采煤層包括7號、9號和10號煤層，煤層間距較小，屬于近距離煤層，在礦井生產初期，由于7號和9號煤層厚度較薄，煤質較差，因此，礦井為了盡快達到生產能力，提高經濟效益，先對下部10號煤層進行開采。現在，10號煤層的開采已接近尾聲，9號煤層也有大部分資源已經開采，礦井仍有7號煤層和少量9號煤層資源尚未開采，只能利用上行開采的方法對其進行回采。因此，本文利用理論分析的方法，對7號煤層上行開采的可行性進行分析，并結合礦井實際礦壓觀測資料，對工作面支架進行適應性分析，為類似條件下工作面的安全生產提供一定的參考。

1 工程概況

中盛煤業屬于汾西礦業集團旗下礦井，主采煤層由上至下依次為7號、9號和10號煤層，其中，7號煤層厚度為1.50～1.86m，平均1.70m，中部含有一層泥巖夾矸，7號煤層下部約22.60m處為9號煤層，煤層厚度平均為0.90m，層間巖層以中粒砂巖和石灰巖為主，巖層強度較高，完整性較好；9號煤層下部約6.45m處為10號煤層，煤層厚度平均為1.86m，層間巖層巖性以泥巖為主，強度較低。7號煤層結構較為復雜，屬于局部可采煤層，首采工作面為703工作面，工作面長度為119.5m，走向長度為660.5m，煤層傾角為4～11°，工作面埋深約180m，在工作面范圍內，煤層厚度穩定，結構較為簡單，節理發育，工作面下部為9號煤層和10號煤層采空區，上部4號煤層未采動。工作面采用ZY3200-12/29型液壓支架，額定工作阻力為3200kN，初撐力為2700kN。

2 上行開采可行性分析

在7號煤層回采前，應首先確定其上行開采的可行性，目前，對于上行開采可行性的判斷基本都是基于煤層間距和下煤層厚度的，下面分別利用4種不同方法對7號煤層上行開采的可行性進行分析。

2.1 比值分析法

根據比值分析法，對于煤層群上行開采，其判斷方程為：

式中：K 為綜合采動影響倍數；Kn=Hn/Mn+1；Hn為第n層煤層與下一煤層的層間距，m；Mn+1為第n+1層煤層厚度，m。

根據礦井實際資料，取 H1=22.6m，M2=0.9m，H2=22.6+6.45=29.05m，M3=1.86m。將數據代入，可得

K1=25.11＞7.5,K2=15.62＞7.5,

K=9.63＞6.3

根據我國礦井實際生產經驗，所得K值大于6.3，即下部9號、10號煤層對7號煤層開采基本沒有影響。

2.2 “三帶”分析法

根據礦井地質資料，9號煤層和7號煤層之間巖性以石灰巖和中粒砂巖等，巖層強度較高，完整性較強，垮落帶高度可由下式表示：

式中：Hm為煤層冒落帶高度，m；M為煤層采高，取9號煤層采高0.90m；K0為巖層碎漲系數，取1.2；α為煤層傾角，取11°。將數據代入，可得9號煤層冒落帶高度為4.58m。

裂縫帶高度可表示為：

式中：Hl為裂縫帶高度，m；M所示含義與前面相同。將數據代入，可得9號煤層裂縫帶高度為23.97m。

根據礦井實際資料，7號煤層與9號煤層的層間距為22.60m，略小于裂縫帶高度23.97m，遠大于垮落帶高度4.58m，因此，可知下部煤層開采對7號煤層的影響很小，7號煤層可以采用上行開采方法。

2.3 數理統計法

根據我國上行開采的實際經驗，利用回歸分析的方法，可得上行開采所必須的安全距離為：

式中：Hmin為近距離煤層群上行開采最小安全距離，m；Ms為上煤層厚度，取1.70m。將數據代入，可得最小安全距離為8.99m，小于層間距離22.60m，因此，7號煤層可以采用上行開采的方法。

2.4 圍巖平衡法

近距離下煤層開采后，頂板受到一定破壞，在煤層開采過后，上覆巖層裂隙重新閉合，巖層發生臺階錯動，影響著上部巖層的開采。若層間巖層厚度較大，強度較高，能夠形成穩定結構，控制巖層的臺階錯動，則煤層群可以采用上行開采方法，反之，則不利于上行開采。

將層間巖層中厚度較大、強度較高，能夠控制巖層移動的巖層稱之為平衡巖層，則下煤層與平衡巖層之間的距離即圍巖平衡高度，可表示為[2]

式中：Hp為圍巖平衡高度，m；K1為巖層碎漲系數，取1.2～1.3；Ms為下部煤層總厚度，取9號煤層與10號煤層之和2.76m；h為平衡巖層厚度，m。

根據礦井實際地質資料，7號煤層下部3.5m處為K3石灰巖，巖層厚度為4.0～6.0m，平均5.6m，其厚度較大，強度較高，可將其視為平衡巖層。將數據代入式（5），可得圍巖平衡高度為19.4m，小于層間巖層厚度22.6m，因此可知9號、10號煤層開采對7號煤層的影響較小，可以采用上行開采的方法。

3 工作面支架適應性分析

3.1 工作面礦壓顯現規律

為了分析上行開采條件下7號煤層的礦壓顯現規律，在703工作面回采期間，觀測工作面支架工作阻力變化情況，分析頂板壓力分布規律，其觀測結果整理如下：

圖1 支架加權工作阻力分布情況

由圖1可以看出，在703工作面液壓支架的加權工作阻力平均1766kN，占液壓支架額定工作阻力的55.2%，最大值為2882kN，占液壓支架額定工作阻力的90.1%。非來壓期間，液壓支架加權工作阻力為1434kN，占支架額定工作阻力的44.8%，來壓期間支架加權工作阻力為2499kN，占支架額定工作阻力的78.1%。且可以看出，在工作面中部頂板壓力大于兩端，上部壓力略大于下部，與現場情況基本一致。

3.2 支架適應性分析

支架初撐力是反映支架適應性的一個重要指標，對703工作面支架初撐力進行觀測，整理結果如圖2所示。

圖2 支架初撐力

由圖2可以看出，703工作面支架初撐力大多分布在800～2000kN，占工作面全部初撐力分布的71.4%，呈正態分布，工作面平均初撐力為1155kN，整體偏低，只占額定初撐力的42.8%，這也是導致工作面頂板較為破碎，支架頂梁架空的原因，嚴重影響的工作面的安全生產，因此，在實際生產中，應適當增加支架初撐力，制定科學完善的頂板管理措施，防止發生冒頂等安全事故。

支架施加加權工作阻力可以反映液壓支架的受力情況[3]，其觀測結果如圖3所示。

圖3 支架時間加權工作阻力

由上圖可以看出，支架時間加權工作阻力大多分布在1200～2400kN之間，占支架整體工作阻力分布的64.9%，分布形態呈正態分布，與支架額定工作阻力3200kN相比，工作面實測支架阻力具有一定的富裕系數，安全性較高，滿足工作面的實際需求。

4 結 論

根據汾西集團中盛煤業近距離煤層群上行開采的實際條件，通過理論分析和現場實測，可得以下結論：

1）利用比值分析法、“三帶”判別法、數理統計法和圍巖平衡法四種不同方法，對中盛煤業7號煤層上行開采可行性進行分析，可得下部9號、10號煤層開采對7號煤層影響較小，可以采用上行開采方法對7號煤層進行回采；

2）對7號煤層首采工作面703工作面進行礦壓觀測，可得工作面支架基本滿足礦井實際需求，但是支架初撐力較低，對工作面安全生產造成一定隱患，應及時處理，制定合理措施，防止事故的發生。

本文所得結論為7號煤層的安全開采奠定了理論基礎，延長了礦井服務年限，提高了資源回收率，為類似條件的礦井開采提供參考。