辛安煤矿4#煤层“蹬空”开采可行性研究

＊韩伟 王亚东 张宝安

（1.山西霍宝干河煤矿有限公司 山西 031400 2.山西凯嘉集团矿管公司 山西 032000 3.辽宁工程技术大学 辽宁 123000）

正常情况下，煤矿煤层采用上行式开采方式。但很多重组矿井煤层开采条件极其复杂，某些煤层无法采用正常的下行开采方式，只能在已存在的“采空区”上进行回采，亦即“蹬空”开采。“蹬空”开采相对于下行开采方式来讲开采难度增大，安全隐患更多。

辛安矿井田内4#、9#、11#号为全区可采煤层，9#、11#煤层已经开采，属于采空区，矿井规划开采的4#煤层下部为9#、11#煤层采空区，4#煤层回采属于“蹬空”开采。

1.4#煤层开采条件

井田内可采煤层赋存特征见表1，煤层顶底板岩性见表2。

表1 可采煤层特征表

表2 煤层及顶底板力学参数

2.上行开采存在问题、影响因素及适用条件

(1)上行开采存在的主要问题

上行开采具有其严格的适用条件，当开采条件不具备时，往往存在以下问题：

①由于下煤层开采活动造成上覆岩层运移，破坏了上煤层的整体性、连续性，煤层产生“骑越”现象，致使上煤层无法正常开采。

②下煤层开采活动尽管对上部煤层没有造成破坏，但下煤层开采引起的导水裂隙带发育，裂隙带与上部煤层贯通，容易造成上部煤层开采时存在漏风、煤层自燃及突水灾害。

(2)上行开采可行性影响因素

①层间距。足够的层间距是上行开采的重要条件。h/M越大，越有利于上行开采。层间距大于冒落带高度时，上煤层发生台阶错动几率就低。②采高。采高增大，裂隙带高度增大，覆岩下沉量越大。③岩性与层间结构。直接顶的厚度大于M/(Kp-1)时，冒矸可充满采空区，上覆煤层将缓慢下沉，有利于上行开采。④煤层倾角。近水平、缓倾斜煤层采空区边界裂隙带高度较采空区中部大；倾斜、急倾斜煤层采空区两端裂隙带倾斜上方高，下方低。⑤采煤方法。全部垮落法覆岩一般形成“三带”，而采用充填法时，工作面来压较弱，顶板下沉量比全部垮落法小。⑥覆岩运移时间。采空区覆岩坚硬时需2～4个月定；覆岩中硬时，需要1～3个月；覆岩为软岩时，需要1～2个月。

(3)上行开采适应条件

①当层间距小于或等于冒落带高度，上煤层遭到严重破坏，无法上行开采。②当层间距大于裂隙带高度，上煤层整体移动下沉，结构完好，可进行上行开采。

3.4#煤层开采可行性理论计算与分析

(1)“三带”判别法开采可行性

根据4#、9#、11#煤层顶底板岩石力学参数可知，覆岩岩性属于中硬，故选取中硬顶板经验公式作为冒落带和导水裂隙带理论计算公式：

冒落带计算式：

导水裂隙带计算式：

9#、11#煤层开采冒落带、裂隙带高度计算结果见表3。

表3 冒落带、裂隙带高度计算结果

地质报告中4#、9#、11#煤层赋存特征为：煤层平均厚度分别为7.47m、4.35m、4.40m；4#煤与9#煤、9#煤与11#煤层间距分别为44.75m、16.54m。9#煤开采垮落带最大高度13.22m，最大裂隙带高度46.79m；11#煤层开采垮落带高度13.29m，裂隙带高度46.95m。可见，4#煤层位下煤层开采的冒落带较远处，基本上处于裂隙带边缘附近，对4#煤层影响不大。基于裂隙带发育高度看，在下部煤层开采一定时间后，上覆岩层活动稳定后可进行开采。一般岩层稳定时间至少需要3个月以上。

(2)比值判别法开采可行性

开采下部多煤层时，应用综合比值K′来判断，公式为：

按地质报告，9#、11#煤开采厚度为4.35m、4.40m，9#煤与4#煤层间距44.75m，11#煤与4#煤层间距为：44.75+16.54=61.29（m）。通过公式计算得：K9煤=44.75/4.35=10.29；K11煤=61.29/4.40=13.93；K′=5.92。

计算知，4#煤下部开采9#煤、11#煤，综合比值K′值处于5.95～7.49之间，计算结果与6.3比较相近。开采实践及研究证明，综合比值K′＞6.3时，可正常进行上行开采。

(3)围岩平衡法开采可行性

围岩平衡法判别公式：

式中：M—煤层厚度，m；

Kl—碎胀系数，中硬岩层时，取Kl=1.20；

H—平衡岩层厚度，m。

由柱状图，4#与9#煤层间存在2层厚度大、强度高的砂岩层，累厚18.3+19.24=37.54m，视为平衡岩层。9#煤层采厚4.35m，9#与4#煤层间距46.4m。9#煤层开采必要层间距：

计算可看出，4#煤与9#煤层间距小于59.29m，说明9#煤层开采后，9#煤开采后的裂隙带高度已经超过平衡岩层，故对于4#煤层开采，需要9#煤层覆岩要有足够的岩层稳定时间。

4.4#煤层开采可行性数值模拟计算与分析

可以看出，9#、11#煤开采后，4#煤受到下部煤层开采影响，已经处于下煤层开采产生的裂隙带内。但是4#煤整体性没有受到破坏，煤层没有产生明显的起伏、凹凸现象，下覆采空区经过一定时间稳定压实后可进行开采。

5.4#煤层开采可行性结论

(1)上行开采可行性判据

对于上行开采可行性，有以下共识：

①上部煤层位于“裂隙带”外时，满足上行开采条件；

②如果煤层的连续性、整体性没有出现“错动、台阶”状态，在下部煤层开采后覆岩运移已过活跃期，采取一定措施后可进行开采。

(2)4#煤层开采可行性研究结论

①通过理论计算与分析，4#煤层位于下煤层开采的覆岩裂隙带边缘，对4#煤影响不大；9#煤裂隙带高度尽管超过平衡岩层，4#煤层受其开采影响呈整体下沉状运移。综合比值K′值处于5.95～7.49之间，与6.3比较相近，可正常进行上行开采。

②数值模拟表明，9#、11#煤开采后，4#煤层处于裂隙带范围，但4#煤层的整体性、连续性没有破坏，没有出现台阶状错动，4#煤层可进行开采。

③综合理论计算、数值模拟分析，4#煤层“蹬空开采”是可行的。为安全起见，要保证下部空区有足够的压实稳定时间，压实时间一般取2～3年。