黄土坡煤矿蹬空开采可行性分析

周保平

0 引言

因国家资源整合，中小型煤矿兼并改造政策的实施，要求许多小型矿井合并重组，并且同一区域合并后的矿井需更好地规划开采，提高资源的利用率。目前，整合后的煤矿存在蹬空储煤量，但该区域受到其他区域的影响，可能出现整体弯曲下沉、裂隙发育增加等现象，将会进一步增加巷道掘进及工作面回采中顶板管理的难度。荷兰、澳大利亚、美国等发达国家做过一些关于蹬空采煤的研究，但仅限于载荷强度理论计算，仅能起到辅助作用。所以，有必要根据黄土坡现有情况，对蹬空开采的可行性进行进一步研究，用以提高资源利用率。

1 蹬空开采概述

煤矿开采顺序一般是按照煤层分布从上至下开采，即下行开采，采空区在现采煤层上方。但是由于装备技术、采煤技术及生产投资等原因，有时候会优先采掘煤炭赋存条件好，煤质好及水、瓦斯、围岩状况好的煤层，人为放弃一部分上层煤层。随着采煤技术、设备及市场环境和资源储量的减少，往往需要回采以前放弃的一些上层煤炭资源。这种先采标高低的煤层，后采标高高的煤层的方法称为上行开采，即蹬空开采[1]。

由于先采下部煤层，会对上部煤层产生一定的影响，如煤层破碎甚至大面积陷落、悬空，顶底板断裂、破碎，下覆煤层采空区瓦斯涌入，矿压不稳造成工作面突然陷落等一系列问题，严重时将无法回采。

2 工程背景

黄土坡煤矿是山西省煤矿企业兼并重组整合后单独保留矿井，生产能力60 万t/a。经过多年开采，3号、7 号煤层已全部采空，11 号煤层已大部分开采。11 号煤层上方的8 号煤层保有资源/储量2.78 Mt，0.95 Mt 资源已蹬空。如果先采深部的12 号煤层，上方8、9 号煤层处于下方多煤层反复采动影响，更加不利于开采。故决定运用上行开采技术，开采被蹬空的8 号煤层。

8 号煤层煤质为特低灰、中硫、特高热值的不粘煤，是优质动力煤；上距7 号煤层平均13.48 m，下距9 号煤层平均14.17 m，距11 号煤层平均37.3 m。煤层厚0.63 m～1.82 m，平均1.19 m，为稳定的大部可采煤层。煤层结构简单，顶板为砂岩、砂质泥岩，底板为砂岩。7 号煤层平均厚度2.31 m，已全部采空；9 号煤层平均厚度1.02 m，全井田尚未开采；11号煤层平均厚度4.81 m，顶板为炭质泥岩、泥岩、粉砂岩，井田内西翼已大部采空，东翼局部采空。

2.1 水区、火区情况

2.1.1 采空区积水情况

井田内主要含水层为寒武系石灰岩含水层组、煤系地层砂岩裂隙含水层组、基岩风化壳裂隙含水层、冲积、洪积含水层组。预计2 号煤层采空区积水34 000 m3，3 号煤层采空区积水31 000 m3，7 号煤层采空区积水74 794 m3。矿井正常涌水量288 m3/d，最大涌水量432 m3/d。考虑采空区积水影响，矿井水文地质条件中等，故开采8 号煤层前应对7 号煤层采空区积水范围及积水水量进行探查，实施探放水措施。

2.1.2 采空区瓦斯与火情况

低瓦斯矿井煤层相对瓦斯涌出量2.87 m3/t，绝对瓦斯涌出量1.66 m3/min，煤层具有爆炸危险性，属于自燃煤层。11 号煤层有火区两处、高温氧化区两处，经灭火火区已完全熄灭。

2.2 煤层顶底板情况

根据测试，井田8 号煤层顶板抗压强度41.6MPa～74.6 MPa，底板抗压强度56.4MPa～69.1MPa；顶板抗拉强度0.42MPa～0.74MPa，底板抗 拉 强 度0.61MPa～0.9MPa；顶板抗剪强度1.85MPa～6.78MPa，底板抗剪强度1.73MPa～3.68MPa。11号煤层顶板抗压强度35.4MPa～51.4MPa，底板抗压强度31.7MPa～73.5MPa；顶板抗拉强度2.45MPa～2.54MPa，底板抗拉强度2.07MPa～2.85MPa；顶板抗剪强度1.89MPa～9.37MPa，底板抗剪强度0.76MPa～2.60MPa。井田内围岩完整，岩体质量中等，地质类型为Ⅲ类Ⅱ型。8 号煤层顶、底板以厚层状中、细砂岩为主，均属坚硬岩层；11 号煤层顶、底板属中硬～坚硬岩层。

3 蹬空采煤可行性研究

影响上行开采的主要因素有：煤层间距、层间结构、层间岩性、煤层厚度、采高、采煤方法、开采间隔、煤层倾角等。上行开采的可行性判别主要有比值判别法、数理统计分析法、“三带”判别法、围岩平衡法等多种理论[2]。

3.1 比值判别法

利用煤层间距和采高的关系衡量上行开采的可行性。采动倍数K 的计算公式：

式中：h ——煤层间距，m；

M ——已采煤层采高，m。

8 号煤层和11 号煤层间距27.03 m～43.85 m，11号煤层厚度3.90 m～5.59 m；采用短壁刀柱式采煤法开采，面长40 m～50 m，每采8 m～10 m 留4 m～5 m煤柱，高度4 m 以下。计算出采动倍数，西翼K=9.25，东翼K=9.16，均大于坚硬岩层时的经验值8，可以安全进行蹬空开采。

其中：K 的取值根据我国煤矿上行开采的生产实践和研究得知，当上下煤层之间为坚硬煤层时，K=8；中硬岩层时，K=7.5；软弱煤层时，K=7[3]。

3.2 “三带”判别理论

采空区上覆煤层围岩会产生变形，形成垮落带、裂隙带和弯曲下沉带。

垮落带高度Hm的计算公式：

裂隙带高度H1计算公式：

ΣM 为累计采厚，m；±项为误差范围。

经计算，西翼裂隙带高度50 m，东翼裂隙带高度44.6 m，8 号煤层位于裂隙带的高位。侏罗纪煤质坚硬，煤柱有较强的支撑作用，坚硬的整体厚层老顶不易冒落，可形成多支点平板铰接梁，故只要11 号煤层开采后6 个月顶板稳定，即可上行开采8 号煤层。“三带”理论在坚硬顶板条件下的可行性有待进一步研究；同时，11 号煤层开采后大部分地段直接顶填不满采空区，故初期可选择在11 号煤层短壁刀柱开采时煤柱留设较多的区域进行蹬空开采实验，取得经验后推广[4，5]。

3.3 围岩平衡法

围岩平衡高度即下层顶板至平衡围岩顶板的高度。当上覆岩层为坚硬岩层时，蹬空煤层位于距下煤层最近的平衡围岩之上，可以进行上行开采。蹬空开采的必要层间距Hb计算公式：

式中：Ks——岩石碎胀系数；

H0——平衡围岩本身高度。

根据岩性特征，8 号煤层顶板下方西翼至少有14.94 m、东翼至少有11.97 m 的岩层可起到平衡层作用，由公式计算出西翼Hb=28.24 m，东翼Hb=25.27 m，基本满足蹬空开采条件。

3.4 数理统计分析法

根据我国煤矿上行开采的实例，分析回归计算得知：受下部煤层采动的影响，上行开采必须的层间距为H，其经验公式：

式中：M ——下煤层采高，m；

MS——上煤层厚度，m。

黄土坡煤矿开采8 号煤层必须的层间距H=7.59 m。根据黄土坡煤矿井田内不同位置两个钻孔资料，8 号煤层的层间距为8.61 m～9.82 m，其煤层的间距大于H=7.59 m，因此按照数理统计分析法判别复采8 号煤层是可行的，即8 号煤层可以进行正常开掘。

4 结论

（1）在坚硬岩层、煤层的大同侏罗系煤田适宜采用比值判别法研究上行开采8 号煤层的可行性。11号煤层采用短壁刀柱和巷柱开采后，由于众多留设煤柱的支撑及其上部坚硬老顶的平衡作用，可以确保上部8 号煤层基本不受11 号煤层采动影响而保持完整，8 号煤层具备上行开采的可行性。

（2）8 号煤层开采时，应认真防范11 号和7 号煤层采空区瓦斯涌出，加强采、掘工作面的瓦斯监测，做好通风管理工作。

（3）8 号煤层开采前应做好7 号煤层采空区积水的探访工作，必须遵循“预测预报、有掘必探、先探后掘、先治后采”的十六字方针，制定相应的预测、预报和安全防范措施，防止透水事故发生。

（4）在蹬空区开采，要加强矿压监测和顶板管理，进行矿压预报，防止冒顶事故发生。

[1]刘明杰，李东伟，翟群迪.蹬空开采顶底板破坏特征及控制技术[J].辽宁工程技术大学学报，2014，33（6）：758-762.

[2]于文佳，陈庆峰.上深涧煤矿刀柱式采空区上覆煤层蹬空开采可行性分析[J].煤矿安全，2011，42（9）：157-160.

[3]张志康.木瓜矿煤层上行开采可行性分析[J].山西焦煤科技，2009（04）：14-16.

[4]曹继生.煤矿蹬空开采的探索研究与分析[J].山东煤炭科技，2009（03）：112-113.

[5]冯宇峰，赵杰，王沉.近距离煤层蹬空开采底板应力分布规律[J].煤矿安全，2014（07）：30-33.