西銘礦7號煤層蹬空開采可行性分析

張 勇

（山西西山煤電股份公司西銘礦，山西 太原 030052）

西銘礦由于煤層賦存條件和開采技術條件限制，首先對2、3上、3下、8 和9 號煤層進行了開采，且均已采完。8 和9 號煤層的開采對6、7 號煤層，造成部分區域蹬空。6、7 號均為薄煤層，6 號煤層屬局部可采的極不穩定煤層，7 號煤層屬大部可采的較穩定煤層。為了保證礦井生產接續，進一步提高資源回收率，實現煤礦可持續發展，對7 號薄煤層蹬空區域的開采進行可行性論證。

1 工程概況

7 號煤層位于太原組上部，上距6 號煤層2.88～33.54 m，平均24.90 m，煤厚0～1.24 m，平均為0.87 m，屬大部可采的較穩定煤層。7 號煤層頂板為石灰巖（斜道灰巖），厚0.8～3.88 m，平均2.11 m，深灰～灰黑色，為生物屑泥晶（含泥）灰巖，性堅韌，發育黃鐵礦，含大量海相植物化石；老頂為粗粒砂巖（K4），厚0～21.6 m，平均12.04 m，灰白色，石英為主，中上部為細砂巖，下部粒度變粗，分選性差。底板為泥巖、砂質泥巖，厚0.2～7.65 m，平均3.31 m，灰黑色，具植物根莖化石。

西銘礦主要回采2、3下、8、9 號煤層，3上、3下號煤層在可采區域內除保護煤柱外已采完。開采8、9號煤層對上部的7 號煤層會產生一定影響，造成7號煤層部分區域出現蹬空狀態。現針對8、9 號煤層開采對7 號薄煤層造成蹬空區域開采進行可行性論證。

2 蹬空開采可行性論證

2.1 采動影響倍數法

在研究上行蹬空開采時，上下煤層的層間距與下煤層的采高是影響是否可以蹬空開采的重要因素，將層間距與下煤層采高之比定義為采動影響系數。目前，國內煤層間能否采用上行蹬空開采的各種判別方法中，大都將層間距和下煤層采高比值作為判別的主要方法之一。可由下式計算[1]。

采動影響倍數K 為：

K=H/M

式中：H 為上下煤層之間的垂距，m；M 為下煤層的采厚，m。

由于8 號和9 號煤層開采采用的是聯合布置，下煤層的采厚為8 號和9 號煤層的總厚度，根據煤系地層綜合柱狀圖，8 煤層的厚度為3.95 m，9 煤層的厚度為3.31 m，公式中下煤層的采厚為7.26 m。

8、9 號煤層與7 號煤層的距離為21.1 m，代入公式得K=2.91。國內房采殘采區蹬空開采的實踐及理論研究證明[1]，當K＞7.5 時，上行開采可安全進行，但8、9 號煤層對7 號煤層的采動影響倍數（K）小于7.5，先采下位8、9 號煤層會影響上部7 號煤層的安全開采。因此，7 號煤層蹬空區域不能安全開采。

2.2 “三帶”判別理論

當煤層的上覆巖層為中硬巖層時，導水裂隙帶高度可用公式計算[2]。

Hh=(12～18)M

式中：Hh為導水裂隙帶高度，m；M 為采厚，m。

開采的總厚度為7.26 m。將其代入公式計算，8號和9 號煤層開采后的導水裂隙帶高度為87.12～130.68 m，8 號和9 號煤層與7 號煤層的間距為21.1 m，8 號和9 號煤層開采后的導水裂隙帶高度大于層間距，7 號煤層蹬空區域不能安全開采。

2.3 圍巖平衡法

采場上覆巖體從圍巖平衡角度出發，可以將巖層分為平衡帶和非平衡帶，下煤層回采過程中，能夠不發生臺階錯動結構的頂板巖層稱為平衡巖層。當上層煤位于下層煤開采的平衡巖層之上時，則可以安全蹬空開采，蹬空開采必要的圍巖平衡高度計算公式為[3]：

式中：M 為煤層開采高度m（8 和9 號煤層開采的總厚度為7.26 m）；K 為碎脹系數，取1.15；h 為平衡巖層本身厚度，m。

根據煤系地層綜合柱狀圖，8 號和9 號煤層與7 號煤層間距為21.1 m，7 號煤層的平衡巖層本身厚度7.76 m。將數據代入公式，蹬空開采必要的圍巖平衡高度56.16 m，其高度大于21.1 m。因此，7號煤層的蹬空區域不能安全開采。

2.4 數理統計分析法

由我國煤礦蹬空開采的部分實例，得出蹬空開采上下兩煤層必須的層間距經驗公式為[2]：

H＞1.14M+4.14+MS

式中：M 為下煤層采高，m；MS 為上煤厚度，m。

8 號和9 號煤層開采的總厚度為7.26 m，7 號煤層煤厚0～1.24 m，平均為0.87 m，取1.24 m 時，蹬空開采必須的層間距為13.65 m，而實際8 號煤和7號煤的層間距為21.1 m，滿足蹬空開采條件。

2.5 數值模擬法

采用FLAC3D結合下層煤18301 工作面煤巖層頂底板巖石力學性質，建立數值模擬模型，模型的走向長度為400 m，傾斜長度400 m，高度170.5 m。模擬當下部工作面開采時的上覆巖層的位移、應力變化情況，進而得出下層煤的開采上覆巖層破壞高度，進一步判斷上層煤是否可以安全蹬空開采，其數值模擬結果見圖1、圖2。

圖1 模型開挖后覆巖塑性區

圖2 模型開挖后覆巖應力

通過數值模擬結果可以得到，8 號煤層的導水裂隙帶高度49.3～52.5 m。均大于8 號煤層與7 號煤層的間距。因此，7 號煤層的蹬空區域不能安全開采。

2.6 頂底板破壞規律實測法

為了觀測下部8、9 煤層工作面開采后的覆巖破壞情況，18301 工作面的頂板“三帶”和底板“下三帶”發育情況，在18301 底抽巷布置4 個鉆孔，分別觀測頂底板“三帶”，見圖3。

圖3 18301 工作面“三帶”觀測孔施工地點范圍

試驗孔開口先用Φ127 mm 鉆頭鉆進，鉆進至穿過破碎帶，下Φ108 mm 套管，套管外側焊接一個配套法蘭盤并配備閘閥，并用高標號水泥封套管外壁與鉆孔中間空隙。然后用Φ75 mm 鉆頭鉆進，直至終孔，終孔后關閉套管閘閥，防止采空區中積水和瓦斯大量涌入工作面。

實測結果顯示：8 號煤層的導水裂隙帶高度49.5～60.0 m。8 號煤層與7 號煤層間距為22.1 m，小于8 號煤層的導水裂隙帶高度，7 號煤層不符合蹬空開采要求。

3 蹬空開采論證結果

根據山西省煤炭工業廳文件晉煤行發[2014]1561 號文件《關于下達〈山西省煤炭工業廳煤礦特殊條件開采暫行管理辦法〉的通知》的要求，結合山西省西山煤田西銘煤礦的資源儲量、地質特征、水文條件，分別采用了采動影響倍數法、“三帶”判別理論計算、圍巖平衡判別法、數理統計分析法、頂底板破壞規律數值模擬分析和頂底板破壞規律現場實測，對西銘煤礦的薄煤層的蹬空開采分析得出以下結論：

1）采動影響倍數分析：7 號煤層蹬空區域不能安全開采。

2）“三帶”判別：7 號煤層的蹬空區域不能安全開采。

3）圍巖平衡高度分析：7 號煤層的蹬空區域不能安全開采。

4）數理統計分析：7 號煤層符合蹬空開采條件。

5）主采煤層頂板破壞數值模擬結果顯示：7 號煤層的蹬空區域不能安全開采。

6）主采煤層頂板破壞井下實測：7 號煤層的蹬空區域不能安全開采。

綜上所述：7 號煤層蹬空區域資源不符合蹬空開采的安全要求。