沙溝岔煤礦5201盤區上行開采可行性分析

楊 飛，高瑞強，王欣，吳玉意，宋立平，楊 軍

(1.陜西省府谷縣沙溝岔煤礦，陜西 榆林 719400；2.中煤能源研究院有限責任公司，陜西 西安 710054)

0 引言

沙溝岔煤礦是府谷縣的國有煤礦，井田位于神府礦區東部新民開采區。4-3煤層大面積已被采空，僅在局部地段留有殘煤或預留煤柱，大面積開采使4-3煤層采空區導水裂縫發育，普遍為含水采空區，僅在含水程度上有所差異，局部地段有可能存在水量較大的采空區。5-1煤層與上、下相鄰4-3煤層和5-2煤層之間相距較近，開采過程可能形成的導水裂縫帶及其它等多種因素，分析認為5-1煤層開采面臨較嚴重的安全風險，提出了暫不開采5-1煤層的建議，即先開采5201盤區的5-2煤，再開采5-1煤。因此，需要對5201盤區上行開采的可行性、安全性進行多因素分析論證。

國內外許多煤炭科技工作者對上行開采技術進行了大量深入的研究，并取得了許多較為豐富的研究成果[1-16]。具體如，對緩傾斜煤層上行開采的研究表明，當下部開采一個煤層時，采動影響倍數K>6，可成功進行上行開采；采用充填法上行開采時，采動影響倍數K為2.3～2.9，上煤層未受破壞，可以進行正常上行開采。當開采緩傾斜和傾斜煤層、下層煤為單層煤時，K>10，上行開采可行；K<10，上煤層受到不同程度的破壞，采取一定技術措施，可以上行開采。當開采急傾斜煤層群時，下層煤為單層煤時，K>8，上行開采可正常進行。

1 上行開采探討

通過近年來我國相關理論研究與生產實踐，上行開采公認的理論研究與計算方法主要有比值判別法、“三帶”判別法、圍巖平衡法和數理統計法。

1.1 工程概況

礦井共有7層煤，由上到下分別為4-2上、4-3上-1、4-3上、4-3、5-1、5-2上、5-2號煤層。而5201盤區涉及3層煤，其可采煤層特征見表1。

表1 5201盤區煤層特征一覽 單位：m

1.2 比值判別法

采動影響倍數計算方法：根據實踐經驗，國內外關于上行開采一般常把采動影響倍數K的大小作為能否實現上行開采的依據。上下煤層之間的層間距和下位煤層采厚的比值K計算，如圖1所示。

圖1 上行開采的比值判別

K=H/M

(1)

式中，H—上下煤層層間距，m；M—下煤層采高，m。

開采厚度及層間距統計：我國垮落上行順序開采的生產實踐和研究證明，當比值K>7.5時，先采下位M2煤層后，在上位M1煤層中可以進行正常采掘活動。5201盤區5-2煤上行開采區域內5-2煤平均厚2.52 m，5-1煤平均厚度為0.86 m，5-2煤與5-1煤層間距為40.08 m。上行開采煤層厚度及層間距、系數K統計見表2。

表2 5201盤區煤層開采厚度及層間距統計

根據統計，5-2上行開采區域5-2對5-1煤平均采動影響倍數K為16.25，最小為11.54，最大為23.98，所有鉆孔統計H/M的值均遠大于7.5，根據國內比值判別法，層間距完全滿足上行開采要求。

1.3 三帶判別法

計算公式：根據相關公式計算，根據煤層平均厚度計算導水裂縫帶高度見表3、冒落帶高度見表4。

表3 導水裂縫帶高度

表4 冒落帶高度

計算結果：針對每個鉆孔分別取值，按照上述計算結果最大公式分別進行計算，冒落帶采用公式(5)，導水裂縫帶采用公式(4)，計算結果見表5。冒落帶高度取各鉆孔冒落帶平均值，為10.34 m，導水裂縫帶高度取各鉆孔平均值44.86 m，而煤層層間距為40.08 m，故5-2煤層處于冒落帶之上、冒落帶與導水裂縫帶之間的上部，屬于“三帶”判別法的觀點二。根據前面研究與開采實踐，5-2煤層開采后，5-1煤層結構只發生中等程度的破壞，采取一定技術措施后，可以實現上行開采。

表5 各鉆孔冒落帶、導水裂縫帶高度

1.4 圍巖平衡法

計算公式：采用圍巖平衡法判別上行開采的準則是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；當采場上覆巖層均為軟巖層時，上煤層應位于圍巖裂縫帶內。上行開采必要的層間距H按公式(7)估算

H>M/(k-1)+h

(7)

式中，M—下煤層采厚，m；k—巖層的碎脹系數；h—平衡巖層厚度，取值2～3倍采高，根據煤(巖)層柱狀圖，取6 m。如果巖層力學強度較高，而且巖層達到一定厚度，在煤層回采覆巖破斷過程中，能起到平衡巖層結構的作用，此結構上部的巖(煤)層根據相關理論與研究將不會發生臺階錯動，可以采用上行開采。

計算結果：根據公式(7)，中硬巖層的碎脹系數取平均值k=1.25，已知5-2煤層采高2.52 m，先算出H為10.08 m，平衡巖層厚度6 m，則圍巖平衡高度為16.08 m。對照“柱狀圖”可知，5-2煤頂板冒落高度之上有3種情況，第1種為硬巖，硬巖厚度6 m左右；第2種為軟巖(泥巖)；第3種為復合巖層，巖層厚度較薄。第1種符合理論計算高度，第2種和第3種則需要在冒落帶高度最近尋找具有一定厚度的堅硬巖層，根據柱狀圖所示，平衡巖層高度為16.08～26.57 m。5-2煤與5-1煤層間距為40.08 m，大于H=26.57 m。由此可知，5-1煤層處于平衡巖層之上，5-1煤層整體連續下沉，不會發生臺階錯動，可以正常回采。

判別結果：根據圍巖平衡法的判別準則，沙溝岔礦井下位5-2煤開采后，兩層煤之間的堅硬粉砂巖或者細粒砂巖能起到平衡巖層的作用，該平衡層強度高，厚度大于采高2.52 m，平衡巖層厚度約為6 m。經統計計算，5-2煤層開采后的冒落帶高度為10.34 m，平衡高度與裂縫帶關系如圖2所示。根據前面三帶分析與計算，該平衡高度位于裂縫帶范圍內的中部，處于上層煤5-1煤層底板之下，說明5-1煤層圍巖不會發生大的變形與破壞，煤層只會發生整體下沉或局部有臺階下沉。所以，上行開采是可行的。

圖2 平衡高度與裂縫帶關系

1.5 數理統計法

基于國內外利用垮落法進行上行開采的研究，當層間距小于或等于冒落帶高度時，上部煤層將受到中等影響，不能進行上行開采；當層間距小于或等于裂縫帶高度時，上部煤層受到中等程度影響，在采取相應的安全措施條件下，可以實現上行開采；當層間距大于裂縫帶最大高度時，上部煤層只受到輕微影響或無影響，可以進行正常上行開采。在分析了多種情況下進行的受一個煤層和多個煤層采動影響的上行開采的104個實例及上部煤層內的巷道受采動影響的13個實例分析后，提出了上行開采的可行性判別的數理統計關系，見式(8)

(8)

式中，M1—下煤層的采高，取2.52 m；M2—上層煤采高，取0.9 m。根據上述公式，則H>12.27 m。而5-1煤與5-2煤層間距平均為40.08 m，大于12.27 m，滿足上行開采要求。

2 上行開采安全技術措施

2.1 加強地質探查

及時關注礦井水文變化：5-2煤層未來掘進施工中導水裂縫有可能進一步發育，上覆4-3煤層采空區水量富集地段有可能影響該煤層安全開采，礦方在開采過程中應及時關注礦井水文變化情況。尤其是4-3煤和5-2煤層之間的5-1煤，因其距上覆4-3煤層僅37.67 m，距下伏5-2煤層40.08 m，而4-3煤層大多地段為充水采空區，其下伏5-1煤層開采過程中形成的導水裂縫帶極有可能在水量較多的地段與4-3煤層導水裂縫相互溝通和迭加，進而誘發與5-2煤層采空區地段導水裂縫的連通，導致5-2煤層開采的風險加大、隱患增多。

防止導水裂縫帶導通：區內大部可采5-1號煤層，可采厚度0.70～0.95 m，平均厚度0.86 m。依據物探成果分析，在5-1號煤層可采范圍南部及東部下部的5-2煤層采空，形成了4.72 km2的蹬空范圍，蹬空范圍5-1號煤層估算資源量600.07萬t，不利于5-1煤層安全開采。從充水因素角度分析，5-1煤層導水裂縫帶高度為27.89～31.07 m，5-1與4-3煤層間距為32.68～40.15 m，5-1煤層導水裂縫帶頂距4-3煤層采空區底板均小于10 m，東部小于5 m。依據煤礦開采經驗，把4-3煤層底板破壞深度按10 m計算，5-1煤層導水裂縫帶導通高度為37.89～41.07 m。因此，5-1煤層導水裂縫帶將導通4-3煤層采空區底板，根據地質報告，4-3煤層采空區多為含水采空區，導通后，地下水將通過導水裂縫帶進入5-1煤層開采工作面，造成礦坑涌水量劇增，威脅人員、設備安全。

2.2 防治水思路與措施

防治水思路：5201盤區工作面防治水堅持以“防”為主，“防治”結合的防治水思路。一要建立和完善水文觀測系統，采用物探和鉆探相結合，監測與試驗相結合，井上、井下立體探查等方式，重點探查4-3煤采空區水文地質條件，探查研究頂板“三帶”發育規律和充水含水層富水特征；二要進一步優化防治水技術措施，在保障礦井安全的前提下，實現防治水工作、工程與礦井生產接續和經濟效益的統一。

防治水措施：①以預防為主，杜絕惡性災害發生。對突然涌水事故，一是要查清并排除；二是健全排水系統；三是要有可靠的避災措施。②結合水文地質條件，重點采空區、富水異常區分布情況，堅持預先可控疏放至安全標準后漸進回采的原則，實現“消峰平谷”，使頂板水平穩泄出。③有計劃、有針對性地進行采區水文地質條件精細調查、勘探和觀測工作，分析研究地下水的賦存和運動規律，為防治水工作提供技術依據。

3 結語

通過比值法、三帶判別法、圍巖平衡法、數理統計等理論研究與計算，5-2煤層采用長壁綜采技術開采后，上煤層5-1煤層處于冒落帶之上和導水裂縫帶范圍內的上部，5-1煤層會出現整體下沉，但不會發生足以影響5-1煤正常回采的臺階下沉。分析認為，采取一定的技術措施后，5-1煤上行開采在理論上是可行的。