新景矿上组煤蹬空开采分析

＊刘安定

（山西辰诚建设工程有限公司 山西 045000）

1.引言

阳煤集团新景况15号煤相比较8号、9号煤属于弱突出危险性煤层，可以在佛洼、保安分区尚未开采的西采区，即井田埋深最大的西部区域实行上行开采。先开采下组的15号煤，再开采上组的3号、8号、9号煤，这样就形成了蹬空开采。蹬空开采区内贯穿9号煤和15号煤的钻孔较多，共54个钻孔，分布比较均匀。根据钻孔参数，保安分区范围内9号煤层与15号煤层层间距为54.11m-83.58m，平均厚度为66.60m。佛洼分区范围内9号煤层与15号煤层层间距为56.03m-66.62m，平均厚度为60.94m。蹬空开采范围内，9号煤层与15号煤层层间距为54.11m-83.58m，平均厚度为63.66m。为了保证煤矿生产的安全性，需要对8号煤层和9号煤层开采的安全性进行分析[1-3]。

2.蹬空开采的主要影响因素

(1)层间距的影响

上、下煤层的层间距是蹬空开采需要考虑的主要因素。一般，上、下煤层的层间距越大，下煤层开采对上煤层开采的影响也就越小，对上行开采也就越有利。反之，若煤层的间距较小，则在下煤层开采时会对上煤层影响剧烈，上行式开采十分困难。因此，需要根据下煤层的采动影响范围来确定是否适合进行上行式开采。

(2)采高的影响

一般，采高并不直接影响到蹬空开采，其对蹬空开采的影响主要取决于采动影响范围。在正常情况下，采高越大，下层煤开采时，上层煤的下沉量越大，对上层煤的破坏也就越大。采出的空间越高，采场上覆岩层结构可能获得平衡的几率就越小，势必导致采场上覆岩层的严重破坏。采高上层煤的直接体现为上覆岩层移动形成的三带，三带的高度越大，则波及到上层煤的范围也就爱越大。在分层开采厚煤层时，垮落带及裂缝带高度与累计采高成分式函数关系。

(3)采煤方法的影响

采煤方法对煤层开采的影响主要体现在开采强度的不同，开采强度越大，地表下沉量也就越大。更为重要的是，开采方法对围岩的破断形式和范围有着直接的影响，例如，近距离煤层群开采可以使垮落带和裂缝带的发育高度有所降低。

此外，采煤方法中对采空区顶板处理方式，也会影响着三带形成的高度。通常情况下，采空区上方的顶板都采用完全垮落式管理，这会形成了煤层开采中的三带。为了缓解三带的形成，可以采用充填法来进行采空区管理，这样顶板的下沉量会大大减少。换句话说，就是用充填物来置换煤层，从而达到对岩层移动的控制。因此，对于上行开采过程中，煤层间距较小的情况下，可以采用充填采煤方法来进行处理。

(4)岩性及层间结构的影响

在蹬空开采时，需要面临的是下沉煤开采过程中引起的岩层移动会波及到上层煤。实际上，这个波及程度不仅与采高、层间距以及采煤方法有关，还与岩层的岩性和层间结构存在重大的关系。当顶板厚而坚硬时，采空区上覆岩层中形成的垮落带和裂隙带的高度较大，下层煤开采对上层煤开采影响也就越严重。反之，当顶板岩石强度较低时，采空区上方会形成弯曲下沉带，垮落带和裂隙带的高度较小，非常利于上行式开采。当直接顶的厚度大于1/（K1-1）倍采高时（K1为岩石碎胀系数），冒矸充满采空区，其上覆岩层在断裂下沉中易于形成平衡岩层结构，位于平衡岩之间的煤层将缓慢下沉，有利于上行开采。

3.蹬空开采可行性分析

以上分析的是上行式开采需要考虑到的因素，但是新景矿实际面临的情况更加复杂。目前，新景矿的下层煤已经开采完毕，需要对上层煤开采的安全性进行分析。为此，需要分析下煤层中的9号煤开采时顶板裂隙发育情况、是否出现了台阶错动等等。需要根据实际的煤层赋存情况，来确定合适的蹬空开采层间距。下面分析了采用“三带”判别法、柱厚采厚比法和围岩平衡法等方法对上组煤蹬空开采可行性进行综合分析。

(1)“三带”判别法[4]

下部煤层开采后，上部煤岩层的整体结构会遭到破坏，根据破坏程度不同，可依次分为垮落带、裂缝带和弯曲下沉带。

矿井15号煤上覆岩层总体为中硬岩层，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》，同时参考《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采指南》，垮落带高度按下式计算：

式中：H-垮落带最大高度，m；M-煤层采厚，15号煤平均厚度5.40m，最大8.05m；W-垮落过程中顶板的下沉值，m；本矿井无实测数据，取0；K-垮落岩石碎胀系数，取1.3；α-煤层倾角，5°～15°，取最大15°。

根据计算结果，位于保安进风立井附近的3-131钻孔15号煤层厚度最大为8.05m，垮落带高度最大为53.30m，该处9号煤和15号煤间距69.45m，层间距大于垮落带16.15m。可见9号煤层位于计算的最大垮落带高度之上。

导水裂缝带最大高度可按下式计算：

式中：H-导水裂缝带最大高度，m；M-采厚，15号煤平均5.40m，最大8.05m；本区15号煤与9号煤层间距最小54.11m，最大83.58m，平均63.66m；9号煤层位于计算的最大裂缝带高度之内。

综上，从垮落带高度、导水裂缝带的高度分析，9号煤位于15号煤垮落带之上的裂缝带内，上组煤蹬空开采可行。

(2)柱厚采厚比法

柱厚采厚比法是利用煤层间距和采高的比值即采动影响倍数来衡量上行开采的可行性。当下部开采一个煤层时，用比值K的大小来判断，即：

式中：H为上下煤层间的垂距，m；M为下部煤层的采高，m。

我国煤层（群）蹬空开采的实践经验及研究表明：当比值K＞7.5时，先采下部煤层一般不影响在上煤层内进行正常准备和回采。当下部开采多个煤层时，用综合比值K’的大小来判断，即：

式中：K1=H1/M2,K2=H2/M3……Kn=Hn/Mn+1。

我国煤层（群）蹬空开采的实践经验及研究表明：当综合比值K’＞6.3时，可行正常上行开采。就本矿而言，主要可采煤层为3号、8号、9号和15号煤层，9号煤开采时，下部仅15号煤采空，不存在下部多煤层开采，本次采用比值K来判断上行开采的可行性。计算各个钻孔的柱厚采厚比K值，位于保安进风立井附近的3-131钻孔的K值最小，为8.63＞7.5，则上组煤蹬空开采可行。

(3)围岩平衡判别法

对于近距离煤层的上行蹬空开采，可根据“围岩平衡法”进行判断。从下煤层顶板到平衡岩层顶板的高度称为围岩平衡高度，而煤层群蹬空开采的基本准则就是，当采场上覆岩层中有中硬岩层时，上煤层应位于距下煤层最近的平衡岩层之上；当采场上覆岩层均为软岩时，上煤层应位于裂缝带内；上煤层的开采应在下煤层开采引起的岩层移动稳定之后进行。

上行开采必要的层间距可按下式估算：

式中：M为煤层开采高度，15号煤8.04m（最大采高）；K1为碎胀系数，取1.3；h为平衡岩层本身厚度。

9号和15号煤层之间有多层厚度大、硬度大的的中粒砂岩、细粒砂岩及K2、K3、K4石灰岩，均可作为平衡层。选取位于15号煤垮落带以上、导水裂缝带下位，位于9号煤底板下4.7m的细砂岩作为平衡层，该细砂岩平均厚度5.80m。由此可计算出蹬空开采必要的围岩平衡高度：HP=8.04/（1.3-1）+5.80=32.60（m）。9号煤与15号煤之间的最小间距为54.11m，9号煤的底板在15号煤开采后围岩平衡岩层之上，上组煤蹬空开采可行。

4.小结

通过蹬空开采可行性分析，西部区域蹬空开采是可行的。但为了保证蹬空开采的可靠性和安全性，矿方在进行蹬空开采时，应采取相应的安全措施。矿井初期蹬空开采应进行小范围（小面积）试采，积累顶板、底板裂隙发育和管理控制顶板技术参数，为全面推行蹬空开采提供地质技术保证。上组煤巷道应在15号煤层开采引起的岩层移动稳定之后开掘。上组煤工作面布置方式、各回采巷道参数要结合实际观测、探测的数据进行设计，合理确定工作面开切眼长度。