温庄煤业3号煤层蹬空开采可行性论证

2021-12-07刘浡

煤 2021年6期

刘浡

(山西焦煤股份公司生产部，山西太原 030021)

1 项目背景

根据《关于山西潞安温庄煤业有限责任公司矿井兼并重组整合项目初步设计变更的批复》(晋煤基局发〔2015〕10号文)的批复意见，温庄煤业投产后在15号和3号煤层各布置1个回采工作面，共同达到120万t/a的设计产能。但由于投产时正值煤炭低迷，加之3号煤层的首采区处于井田南部，煤层较薄，夹矸较厚，其生产成本远远大于销售收入，故矿井3号煤层在竣工验收后一直处于未开采状态，仅在15号煤层进行了采掘活动，因此，造成了3号煤层蹬空。

经过多年开采，现阶段15号煤层一、二采区剩余储量服务年限仅为6 a，而其三采区资源均为铁路、公路、村庄等“三下”压煤，且地质条件复杂，开采难度巨大，暂不考虑开采。鉴于此，为有效延长矿井服务年限，提高资源回收率，并且考虑到现行煤价回升，论证矿井3号煤层蹬空开采已迫在眉睫。

2 蹬空开采技术要求

蹬空开采是指矿井已经开采了下部煤层，使上部未采煤层形成了蹬空，在满足安全开采条件的前提下，对上部未采煤层进行开采。蹬空开采应遵循煤炭资源优化利用、企业经济利益与社会效益最大化原则，凡安全上可靠、技术上可行、经济上合理，必须进行开采；在目前技术条件下难以开采，但采取特殊措施之后经济上合理的，可以进行开采。蹬空开采必须经严格技术论证，满足要求的情况下，可以进行试采，实施蹬空开采的煤层必须满足以下条件：

1) 上部蹬空煤层原则上应位于下部煤层开采裂隙带高度以上，若上部煤层位于下部煤层裂隙带高度以内，必须制定有针对性的、切实可行的安全技术保证措施[1]。

2) 蹬空开采的最小层间距不小于下部煤层开采所形成的垮落带的高度[2]。

3) 先期开采的下部煤层的上覆岩层移动已经完全稳定[3]。

蹬空开采的煤矿，在编制可行性研究报告时，应通过采动影响倍数法、“三带”判别理论、围岩平衡判别法等对上部煤层蹬空开采的可行性作出初步判定，同时还应根据现场条件制定针对性的安全技术保证措施。

3 储量蹬空开采论证

3.1 采动影响倍数法

煤层间距与下覆煤层采厚之比的计算公式如下：

式中：K为煤层间距与下覆煤层采厚之比，单位为倍；H间为煤层间距，3号煤层到15号煤层间距取最小值105 m。M为煤层的开采厚度，15号煤层最大开采厚度为4.91 m；K取21.4。

根据经验数据，煤层间距与煤层采厚之比大于6～8倍时，下部煤层开采后不会破坏上覆煤层的完整性，其蹬空开采是可行的。因此，根据采动影响倍数法，15号煤层采空后，开采上覆的3号煤层是可行的。

3.2 数理统计法

影响上覆煤层开采最小间距的计算，公式如下：

H>1.14M2+4.14+△M

式中：H为影响上覆煤层开采的最小间距，m；M为煤层的开采厚度，15号煤层最大开采厚度为4.91 m；Δ为系数应≤1，取1。

根据上式可知：开采15号煤层影响上覆煤层开采的最小间距为36.53 m <105 m；因此，根据数理统计法，15号煤层开采后，开采上覆的3号煤层是可行的。

3.3 垮落带最大高度分析法

根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》(2017版)，垮落带最大高度计算如下(顶板按中硬顶板)：

式中：Hm为煤层采后所形成的垮落带最大高度，m；M为累计采厚度，15号煤层最大开采厚度为4.91 m。

经计算垮落带最大高度为13.9 m<105 m；因此，15号煤层开采后，根据垮落带最大高度计算，开采上覆的3号煤层是可行的。

3.4 导水裂缝带最大高度分析法

根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》(2017版)，导水裂缝带最大高度计算(15号煤层顶板为石灰岩和砂质泥岩，按中硬顶板)：

(1)

(2)

式中：Hli为导水裂缝带高度，m；∑M为累计采厚度，15号煤层最大开采厚度为4.91 m；15号煤层到3号煤层间距取最小值105 m。

按公式(1)计算可得：导水裂缝带高度为48.5 m<105 m，按公式(2)计算可得：导水裂缝带高度为54.3 m<105 m。因此，15号煤层开采后，根据导水裂缝带最大高度计算，开采上覆的3号煤层是可行的。

3.5 围岩平衡法

在开采过程中，能够形成不发生台阶错动的平衡岩层结构称为平衡岩层。

上行开采的基本原则是：①当采场上覆岩层中有坚硬、中硬岩层时，上部煤层应位于下部煤层最近的平衡岩层之上；②当采场上覆岩层均为软岩层时，上部煤层应位于裂隙带内；③上部煤层应在下部煤层采空区引起的上覆岩层移动稳定之后进行开采。

结合温庄煤业煤层赋存条件及其覆岩岩性、结构，可以找到15号煤层开采后其覆岩上的平衡岩层。15号煤层上覆岩层为K2、 K3、 K4、 K5、 K6和K7，共6层石灰岩，属中硬岩层，6层石灰岩起到平衡岩层作用，阻止了平衡岩层上覆的煤(岩)层产生纵向台阶错动，从而消除了(上行开采)开采3号煤层的最大障碍。确定3号煤层位于平衡岩层之上的平衡煤(岩)层之后，还必须确认下部15号煤层采后引起上覆岩层移动已经稳定(约3～5 a)，这时方可进行开采，这样才能确保安全地进行采掘。