综合机械化上行开采技术在近距离薄煤层的探索与实践

魏克强 赵楷棣 刘 石 张 林 时帅帅 王秀峰

(平顶山天安煤业股份有限公司六矿 河南平顶山 467091)

上行开采是煤矿特殊开采方法之一，可分为远距离上行开采和近距离上行开采。远距离上行开采层间距一般大于20m，在国内外都有应用，开采经验及理论相对成熟；而对近距离上行开采的研究较少，传统的上行开采理论认为，近距离煤层不宜进行上行开采，尤其是煤层间距较近，上煤层薄且采用综合机械化采煤的情况更不多见。平煤股份四矿属多煤层开采矿井，其中己15、己16－17煤层部分区域层间距仅为4～15m。由于己15煤层薄，开采效益低，先开采己16－17厚煤层后，使己15薄煤层资源丢失，为多回收煤炭资源，减少损失，决定对己15薄煤层进行上行开采实践。

一、工作面概况

（一）工作面位置

己15-23060工作面位于二水平己三采区东翼，西至采区边界，东与采区轨道、皮带、回风下山相通，相邻的南、北己15煤层均未开采。该工作面走向长度1220m，倾斜长度170m，地面标高+340～+450m，回采标高-433～-467m，开采垂深850m。工作面里段上部、外段下部20m均位于己16-17-23040和己16-17-23080工作面采空区上方（见图1），采空区稳定时间25个月。

图1 已15－23060工作面位置图

（二）工作面地质条件及煤层赋存情况

该工作面为简单向斜构造，在向斜东翼施工机巷时揭露落差小于2m的断层4条，在向斜轴和断层附近，受构造应力影响，煤层顶板压力较大，岩石破碎。煤层赋存稳定，煤层走向70～130°，倾角7～12°，一般8°。己15煤层厚度1.3～1.7m，平均厚度为1.5m，伪顶不发育，直接顶为灰色层状砂质泥岩，夹薄层细砂岩，上部夹有煤线，厚度3～8m；底板为深灰色炭质泥岩，含植物化石，遇水极易膨胀，属松软底板，厚度2m左右。下部己16-17煤层，厚度3.5～4.2m，直接顶灰色砂质泥岩，含菱铁矿结核和植物化石，顶板破碎、随采随落，厚度4～12m；底板为砂质泥岩，己15、己16-17煤层间距6～14m，已15煤层顶底板综合柱状图见图2。

图2 已15煤层顶底板综合柱状图

二、上行开采技术可行性分析

（一）上行开采与围岩平衡问题

根据采场围岩控制研究及生产实践资料，采场上覆岩体在垂直方向上可分为冒落带、裂隙带及弯曲下沉带。从围岩平衡的观点可分为冒落非平衡带，裂隙带的下位岩层部分平衡带，裂隙带的下位岩层之上的平衡带。在平衡带可形成“煤壁—裂隙带上位岩层—矸石”为支撑体系的平衡岩层结构。平衡岩层结构能阻止上覆岩（煤）层发生纵向台阶错动，消除上行开采的最大障碍，因此当上煤层位于平衡岩层之上时，即可进行上行开采。

（二）影响上行开采的主要因素分析

影响上行开采的主要因素有层间距、采高、采煤方法、层间岩性及结构、煤层倾角和稳定时间等。足够的层间距是上行开采的基本条件，采高是影响上覆岩层破坏状况的根本因素，上、下煤层间距（H）与采高（M）的比值（H/M）越大，上覆煤层移动越平缓，倾斜、曲率等各种变形值越小，越有利于上行开采。采煤方法是控制上覆岩层破坏高度的重要因素，利用全部垮落法管理顶板时，采场上覆岩层一般都形成“三带”，对上行开采不利。层间岩石力学性质及结构一定程度上影响上覆岩层破坏高度，当顶板岩石硬度较高时，冒落带和裂隙带发育较高，岩层主要以断块充填采空区；当顶板岩石强度较低时，冒落带和裂隙带发育较低，主要以岩层弯曲充填采空区。煤层倾角主要影响采场上覆岩层破坏的空间形态，布置回采工作面应考虑空间位置。回采稳定时间是成功实现上行开采的关键，上行开采时，上下煤层的回采应有足够的间隔时间，否则，即使有足够的层间距，上行开采也会遇到困难。

（三）上行开采的可行性

针对己15、己16-17煤层间距及层间岩性特点，按围岩平衡、采动影响倍数等上行开采理论是难以进行上行开采的。为了验证己15煤层能否进行上行开采，在工作面布置时，将工作面下段布置在采空区上方，上段布置在实体煤内，机巷位于距己16-17实体煤20m的采空区上方，机巷这样布置，一方面能探清采空区上方己15煤层的破坏情况，另一方面可以从机巷向实体煤作探巷，探清采空区与实体煤交界处己15煤是否有台阶错动。从施工揭露情况看，采空区上方己15煤层起伏变化不大，煤厚稳定，受采空区影响弯曲下沉变形破坏不明显，采空区与实体煤交界处出现台阶错动，错距400～600mm，对回采影响不大。根据现场观测资料，经过论证分析，认为对己15-23060工作面进行上行开采是可行的。

三、开采实践

（一）工作面机、风两巷情况

己15-23060工作面机巷布置在己16-17-23080采空区上方，距己16－17-23080工作面风巷20m。该巷采用工字钢架棚支护，棚距600mm。从掘进到回采，巷道变形量不大，压力显现不明显，仅在工作面超前支承压力的影响下才出现变形，顶底板最大变形速度6.3mm/d，两帮移近速度3.2mm/d。工作面风巷里段340m布置在己16-17-23040采空区上方，巷道支护与维护情况同机巷类似。风巷外段700m布置在己16-17-23040工作面下方的己16-17实体煤上。为了避开集中支承压力影响，采用留小煤柱法，将己15-23060工作面风巷与己16-17-23040工作面机巷中到中7m平行布置。该段巷道采用锚、网、索联合支护，Φ20mm×2400mm左旋树脂锚杆，锚杆间排距700mm×700mm，顶、帮均铺8号冷拔丝金属网，锚索长6.5m，每排布置2根，排距1.4m。在巷道施工期间，由于受集中支承压力影响，巷道出现较大变形，顶底板最大变形速度65mm/d，两帮移近速度16mm/d。由于巷道变形严重，工作面投产前多次拉底整修，工作面投产后连续不间断拉底才保证了正常生产。

（二）工作面回采情况

己15-23060工作面采用走向长壁采煤法，全部垮落法管理顶板。工作面采用ZY2600—10/22型两柱掩护式液压支架，MG132/320—W型采煤机，SGZ630/220型刮板输送机。自开缺口，斜切进刀，双向割煤，截深600mm。

该工作面的回采时间为10个月，从回采情况看，位于采空区之上的工作面压力小，老顶周期来压不明显，推进速度快，产量高；位于实体煤之上的工作面压力大，老顶周期来压明显；在采空区与实体煤交界处，工作面有台阶错动，揭露最大错距700mm，对回采影响不大。