新景礦上組煤蹬空開采分析

＊劉安定

（山西辰誠建設工程有限公司 山西 045000）

1.引言

陽煤集團新景況15號煤相比較8號、9號煤屬于弱突出危險性煤層，可以在佛洼、保安分區尚未開采的西采區，即井田埋深最大的西部區域實行上行開采。先開采下組的15號煤，再開采上組的3號、8號、9號煤，這樣就形成了蹬空開采。蹬空開采區內貫穿9號煤和15號煤的鉆孔較多，共54個鉆孔，分布比較均勻。根據鉆孔參數，保安分區范圍內9號煤層與15號煤層層間距為54.11m-83.58m，平均厚度為66.60m。佛洼分區范圍內9號煤層與15號煤層層間距為56.03m-66.62m，平均厚度為60.94m。蹬空開采范圍內，9號煤層與15號煤層層間距為54.11m-83.58m，平均厚度為63.66m。為了保證煤礦生產的安全性，需要對8號煤層和9號煤層開采的安全性進行分析[1-3]。

2.蹬空開采的主要影響因素

(1)層間距的影響

上、下煤層的層間距是蹬空開采需要考慮的主要因素。一般，上、下煤層的層間距越大，下煤層開采對上煤層開采的影響也就越小，對上行開采也就越有利。反之，若煤層的間距較小，則在下煤層開采時會對上煤層影響劇烈，上行式開采十分困難。因此，需要根據下煤層的采動影響范圍來確定是否適合進行上行式開采。

(2)采高的影響

一般，采高并不直接影響到蹬空開采，其對蹬空開采的影響主要取決于采動影響范圍。在正常情況下，采高越大，下層煤開采時，上層煤的下沉量越大，對上層煤的破壞也就越大。采出的空間越高，采場上覆巖層結構可能獲得平衡的幾率就越小，勢必導致采場上覆巖層的嚴重破壞。采高上層煤的直接體現為上覆巖層移動形成的三帶，三帶的高度越大，則波及到上層煤的范圍也就愛越大。在分層開采厚煤層時，垮落帶及裂縫帶高度與累計采高成分式函數關系。

(3)采煤方法的影響

采煤方法對煤層開采的影響主要體現在開采強度的不同，開采強度越大，地表下沉量也就越大。更為重要的是，開采方法對圍巖的破斷形式和范圍有著直接的影響，例如，近距離煤層群開采可以使垮落帶和裂縫帶的發育高度有所降低。

此外，采煤方法中對采空區頂板處理方式，也會影響著三帶形成的高度。通常情況下，采空區上方的頂板都采用完全垮落式管理，這會形成了煤層開采中的三帶。為了緩解三帶的形成，可以采用充填法來進行采空區管理，這樣頂板的下沉量會大大減少。換句話說，就是用充填物來置換煤層，從而達到對巖層移動的控制。因此，對于上行開采過程中，煤層間距較小的情況下，可以采用充填采煤方法來進行處理。

(4)巖性及層間結構的影響

在蹬空開采時，需要面臨的是下沉煤開采過程中引起的巖層移動會波及到上層煤。實際上，這個波及程度不僅與采高、層間距以及采煤方法有關，還與巖層的巖性和層間結構存在重大的關系。當頂板厚而堅硬時，采空區上覆巖層中形成的垮落帶和裂隙帶的高度較大，下層煤開采對上層煤開采影響也就越嚴重。反之，當頂板巖石強度較低時，采空區上方會形成彎曲下沉帶，垮落帶和裂隙帶的高度較小，非常利于上行式開采。當直接頂的厚度大于1/（K1-1）倍采高時（K1為巖石碎脹系數），冒矸充滿采空區，其上覆巖層在斷裂下沉中易于形成平衡巖層結構，位于平衡巖之間的煤層將緩慢下沉，有利于上行開采。

3.蹬空開采可行性分析

以上分析的是上行式開采需要考慮到的因素，但是新景礦實際面臨的情況更加復雜。目前，新景礦的下層煤已經開采完畢，需要對上層煤開采的安全性進行分析。為此，需要分析下煤層中的9號煤開采時頂板裂隙發育情況、是否出現了臺階錯動等等。需要根據實際的煤層賦存情況，來確定合適的蹬空開采層間距。下面分析了采用“三帶”判別法、柱厚采厚比法和圍巖平衡法等方法對上組煤蹬空開采可行性進行綜合分析。

(1)“三帶”判別法[4]

下部煤層開采后，上部煤巖層的整體結構會遭到破壞，根據破壞程度不同，可依次分為垮落帶、裂縫帶和彎曲下沉帶。

礦井15號煤上覆巖層總體為中硬巖層，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》，同時參考《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采指南》，垮落帶高度按下式計算：

式中：H-垮落帶最大高度，m；M-煤層采厚，15號煤平均厚度5.40m，最大8.05m；W-垮落過程中頂板的下沉值，m；本礦井無實測數據，取0；K-垮落巖石碎脹系數，取1.3；α-煤層傾角，5°～15°，取最大15°。

根據計算結果，位于保安進風立井附近的3-131鉆孔15號煤層厚度最大為8.05m，垮落帶高度最大為53.30m，該處9號煤和15號煤間距69.45m，層間距大于垮落帶16.15m。可見9號煤層位于計算的最大垮落帶高度之上。

導水裂縫帶最大高度可按下式計算：

式中：H-導水裂縫帶最大高度，m；M-采厚，15號煤平均5.40m，最大8.05m；本區15號煤與9號煤層間距最小54.11m，最大83.58m，平均63.66m；9號煤層位于計算的最大裂縫帶高度之內。

綜上，從垮落帶高度、導水裂縫帶的高度分析，9號煤位于15號煤垮落帶之上的裂縫帶內，上組煤蹬空開采可行。

(2)柱厚采厚比法

柱厚采厚比法是利用煤層間距和采高的比值即采動影響倍數來衡量上行開采的可行性。當下部開采一個煤層時，用比值K的大小來判斷，即：

式中：H為上下煤層間的垂距，m；M為下部煤層的采高，m。

我國煤層（群）蹬空開采的實踐經驗及研究表明：當比值K＞7.5時，先采下部煤層一般不影響在上煤層內進行正常準備和回采。當下部開采多個煤層時，用綜合比值K’的大小來判斷，即：

式中：K1=H1/M2,K2=H2/M3……Kn=Hn/Mn+1。

我國煤層（群）蹬空開采的實踐經驗及研究表明：當綜合比值K’＞6.3時，可行正常上行開采。就本礦而言，主要可采煤層為3號、8號、9號和15號煤層，9號煤開采時，下部僅15號煤采空，不存在下部多煤層開采，本次采用比值K來判斷上行開采的可行性。計算各個鉆孔的柱厚采厚比K值，位于保安進風立井附近的3-131鉆孔的K值最小，為8.63＞7.5，則上組煤蹬空開采可行。

(3)圍巖平衡判別法

對于近距離煤層的上行蹬空開采，可根據“圍巖平衡法”進行判斷。從下煤層頂板到平衡巖層頂板的高度稱為圍巖平衡高度，而煤層群蹬空開采的基本準則就是，當采場上覆巖層中有中硬巖層時，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時，上煤層應位于裂縫帶內；上煤層的開采應在下煤層開采引起的巖層移動穩定之后進行。

上行開采必要的層間距可按下式估算：

式中：M為煤層開采高度，15號煤8.04m（最大采高）；K1為碎脹系數，取1.3；h為平衡巖層本身厚度。

9號和15號煤層之間有多層厚度大、硬度大的的中粒砂巖、細粒砂巖及K2、K3、K4石灰巖，均可作為平衡層。選取位于15號煤垮落帶以上、導水裂縫帶下位，位于9號煤底板下4.7m的細砂巖作為平衡層，該細砂巖平均厚度5.80m。由此可計算出蹬空開采必要的圍巖平衡高度：HP=8.04/（1.3-1）+5.80=32.60（m）。9號煤與15號煤之間的最小間距為54.11m，9號煤的底板在15號煤開采后圍巖平衡巖層之上，上組煤蹬空開采可行。

4.小結

通過蹬空開采可行性分析，西部區域蹬空開采是可行的。但為了保證蹬空開采的可靠性和安全性，礦方在進行蹬空開采時，應采取相應的安全措施。礦井初期蹬空開采應進行小范圍（小面積）試采，積累頂板、底板裂隙發育和管理控制頂板技術參數，為全面推行蹬空開采提供地質技術保證。上組煤巷道應在15號煤層開采引起的巖層移動穩定之后開掘。上組煤工作面布置方式、各回采巷道參數要結合實際觀測、探測的數據進行設計，合理確定工作面開切眼長度。