近距离煤层上行开采可行性研究及支架适应性分析

严红兵

（霍州煤电集团公司汾河焦煤有限公司三交河煤矿，山西 洪洞 041600）

0 引 言

随着我国煤炭资源多年来的高强度开采，一些赋存条件较好，开采容易的煤层已接近枯竭，很多矿区都面临着近距离煤层开采的问题。从开采顺序上来讲，近距离煤层开采可分为上行开采和下行开采，相比而言，下行开采的方法适用范围更广，开采工序较为简单，是目前开采近距离煤层的主要方法[1]。在汾西集团中盛煤业，主采煤层包括7号、9号和10号煤层，煤层间距较小，属于近距离煤层，在矿井生产初期，由于7号和9号煤层厚度较薄，煤质较差，因此，矿井为了尽快达到生产能力，提高经济效益，先对下部10号煤层进行开采。现在，10号煤层的开采已接近尾声，9号煤层也有大部分资源已经开采，矿井仍有7号煤层和少量9号煤层资源尚未开采，只能利用上行开采的方法对其进行回采。因此，本文利用理论分析的方法，对7号煤层上行开采的可行性进行分析，并结合矿井实际矿压观测资料，对工作面支架进行适应性分析，为类似条件下工作面的安全生产提供一定的参考。

1 工程概况

中盛煤业属于汾西矿业集团旗下矿井，主采煤层由上至下依次为7号、9号和10号煤层，其中，7号煤层厚度为1.50～1.86m，平均1.70m，中部含有一层泥岩夹矸，7号煤层下部约22.60m处为9号煤层，煤层厚度平均为0.90m，层间岩层以中粒砂岩和石灰岩为主，岩层强度较高，完整性较好；9号煤层下部约6.45m处为10号煤层，煤层厚度平均为1.86m，层间岩层岩性以泥岩为主，强度较低。7号煤层结构较为复杂，属于局部可采煤层，首采工作面为703工作面，工作面长度为119.5m，走向长度为660.5m，煤层倾角为4～11°，工作面埋深约180m，在工作面范围内，煤层厚度稳定，结构较为简单，节理发育，工作面下部为9号煤层和10号煤层采空区，上部4号煤层未采动。工作面采用ZY3200-12/29型液压支架，额定工作阻力为3200kN，初撑力为2700kN。

2 上行开采可行性分析

在7号煤层回采前，应首先确定其上行开采的可行性，目前，对于上行开采可行性的判断基本都是基于煤层间距和下煤层厚度的，下面分别利用4种不同方法对7号煤层上行开采的可行性进行分析。

2.1 比值分析法

根据比值分析法，对于煤层群上行开采，其判断方程为：

式中：K 为综合采动影响倍数；Kn=Hn/Mn+1；Hn为第n层煤层与下一煤层的层间距，m；Mn+1为第n+1层煤层厚度，m。

根据矿井实际资料，取 H1=22.6m，M2=0.9m，H2=22.6+6.45=29.05m，M3=1.86m。将数据代入，可得

K1=25.11＞7.5,K2=15.62＞7.5,

K=9.63＞6.3

根据我国矿井实际生产经验，所得K值大于6.3，即下部9号、10号煤层对7号煤层开采基本没有影响。

2.2 “三带”分析法

根据矿井地质资料，9号煤层和7号煤层之间岩性以石灰岩和中粒砂岩等，岩层强度较高，完整性较强，垮落带高度可由下式表示：

式中：Hm为煤层冒落带高度，m；M为煤层采高，取9号煤层采高0.90m；K0为岩层碎涨系数，取1.2；α为煤层倾角，取11°。将数据代入，可得9号煤层冒落带高度为4.58m。

裂缝带高度可表示为：

式中：Hl为裂缝带高度，m；M所示含义与前面相同。将数据代入，可得9号煤层裂缝带高度为23.97m。

根据矿井实际资料，7号煤层与9号煤层的层间距为22.60m，略小于裂缝带高度23.97m，远大于垮落带高度4.58m，因此，可知下部煤层开采对7号煤层的影响很小，7号煤层可以采用上行开采方法。

2.3 数理统计法

根据我国上行开采的实际经验，利用回归分析的方法，可得上行开采所必须的安全距离为：

式中：Hmin为近距离煤层群上行开采最小安全距离，m；Ms为上煤层厚度，取1.70m。将数据代入，可得最小安全距离为8.99m，小于层间距离22.60m，因此，7号煤层可以采用上行开采的方法。

2.4 围岩平衡法

近距离下煤层开采后，顶板受到一定破坏，在煤层开采过后，上覆岩层裂隙重新闭合，岩层发生台阶错动，影响着上部岩层的开采。若层间岩层厚度较大，强度较高，能够形成稳定结构，控制岩层的台阶错动，则煤层群可以采用上行开采方法，反之，则不利于上行开采。

将层间岩层中厚度较大、强度较高，能够控制岩层移动的岩层称之为平衡岩层，则下煤层与平衡岩层之间的距离即围岩平衡高度，可表示为[2]

式中：Hp为围岩平衡高度，m；K1为岩层碎涨系数，取1.2～1.3；Ms为下部煤层总厚度，取9号煤层与10号煤层之和2.76m；h为平衡岩层厚度，m。

根据矿井实际地质资料，7号煤层下部3.5m处为K3石灰岩，岩层厚度为4.0～6.0m，平均5.6m，其厚度较大，强度较高，可将其视为平衡岩层。将数据代入式（5），可得围岩平衡高度为19.4m，小于层间岩层厚度22.6m，因此可知9号、10号煤层开采对7号煤层的影响较小，可以采用上行开采的方法。

3 工作面支架适应性分析

3.1 工作面矿压显现规律

为了分析上行开采条件下7号煤层的矿压显现规律，在703工作面回采期间，观测工作面支架工作阻力变化情况，分析顶板压力分布规律，其观测结果整理如下：

图1 支架加权工作阻力分布情况

由图1可以看出，在703工作面液压支架的加权工作阻力平均1766kN，占液压支架额定工作阻力的55.2%，最大值为2882kN，占液压支架额定工作阻力的90.1%。非来压期间，液压支架加权工作阻力为1434kN，占支架额定工作阻力的44.8%，来压期间支架加权工作阻力为2499kN，占支架额定工作阻力的78.1%。且可以看出，在工作面中部顶板压力大于两端，上部压力略大于下部，与现场情况基本一致。

3.2 支架适应性分析

支架初撑力是反映支架适应性的一个重要指标，对703工作面支架初撑力进行观测，整理结果如图2所示。

图2 支架初撑力

由图2可以看出，703工作面支架初撑力大多分布在800～2000kN，占工作面全部初撑力分布的71.4%，呈正态分布，工作面平均初撑力为1155kN，整体偏低，只占额定初撑力的42.8%，这也是导致工作面顶板较为破碎，支架顶梁架空的原因，严重影响的工作面的安全生产，因此，在实际生产中，应适当增加支架初撑力，制定科学完善的顶板管理措施，防止发生冒顶等安全事故。

支架施加加权工作阻力可以反映液压支架的受力情况[3]，其观测结果如图3所示。

图3 支架时间加权工作阻力

由上图可以看出，支架时间加权工作阻力大多分布在1200～2400kN之间，占支架整体工作阻力分布的64.9%，分布形态呈正态分布，与支架额定工作阻力3200kN相比，工作面实测支架阻力具有一定的富裕系数，安全性较高，满足工作面的实际需求。

4 结 论

根据汾西集团中盛煤业近距离煤层群上行开采的实际条件，通过理论分析和现场实测，可得以下结论：

1）利用比值分析法、“三带”判别法、数理统计法和围岩平衡法四种不同方法，对中盛煤业7号煤层上行开采可行性进行分析，可得下部9号、10号煤层开采对7号煤层影响较小，可以采用上行开采方法对7号煤层进行回采；

2）对7号煤层首采工作面703工作面进行矿压观测，可得工作面支架基本满足矿井实际需求，但是支架初撑力较低，对工作面安全生产造成一定隐患，应及时处理，制定合理措施，防止事故的发生。

本文所得结论为7号煤层的安全开采奠定了理论基础，延长了矿井服务年限，提高了资源回收率，为类似条件的矿井开采提供参考。