金达煤业三采区4号煤蹬空开采研究

陈 杰

（山西煤炭运销集团金达煤业有限公司，山西 孝义032300）

0 引言

随着煤炭资源的日益开采，煤炭资源的储量也越来越少，现有储量矿井不断向边缘区延伸，以及整合前矿井开采不规范，导致部分资源储量已蹬空，各矿井不同程度面临地质及开采技术条件越来越复杂，煤炭开采难度显著增加等技术难题。矿井整合后，同一区域合并后的矿井需更好地规划开采，提高资源的利用率，上行蹬空储量的开采，对缓解采掘接替紧张、复采遗留煤炭资源、挖掘老矿潜力、促进煤矿安全开采及提高经济效益具有很大意义。

金达煤业由于历史遗留问题，煤矿资源整合后，9号煤层回采结束后，4号煤层还遗留有数量可观的可采煤层，如果能够对4号煤层进行安全开采，对提升矿井经济效益，延长矿井服务年限有着重要的意义。所以，有必要根据金达煤业现有情况，对蹬空开采的可行性进行进一步研究。

1 工程概况

金达煤业主要开采4、9、10、11号煤层，其中三采区4号煤层局部开采，9号煤层现已全部开采完，其他煤层尚未开采。4号煤层厚度0.7～1.05 m，平均厚度0.9 m，地层倾角2°～13°，顶板为泥岩和砂质泥岩，底板为泥岩和细砂岩。4号与9号煤层间距为48.70～69.9 m，平均层间距63.08 m。9号煤层厚度0.4～1.4 m，平均厚度1.09 m，顶板为石灰岩，底板为泥岩，9号煤层采用综合机械化采煤工艺开采，全部垮落法管理顶板，目前已经全部采空。

受9号煤层开采的影响，4号煤层顶底板围岩的应力状态已经发生改变，且其顶底板围岩完整性可能被破坏。由于矿井三采区内4号煤层遗留有大部分资源，且为稀缺的售价高的无烟煤。受9号煤层开采的影响，4号煤层开采属于上行开采的研究范畴，煤层开采前需要对围岩的稳定性及开采安全性进行合理的评估。

2 上行开采可行性判定方法

上行开采的前提主要是不破坏上层煤安全有效地开采，这同时也是上行开采技术的核心与关键。因而，上行开采首先要解决的问题就是对上覆岩层运动规律的研究及控制，地质条件、开采和顶板管理技术是首要解决问题的3个主要因素。9号煤开采完毕后，判断是否可进行上行开采可用理论计算、数值模拟及工程类比等方法研究。

2.1 基于理论计算的上覆岩层破坏分析及可行性研究

本文使用的理论计算方法主要有“三带”判别法、围岩平衡法、比值K判别法、数理统计分析法以及使用经验公式判断合理时间间隔的方法，通过五种不同的理论计算方法对4号煤层是否能蹬空开采进行可行性研究。其中，4号煤层和9号煤层厚度及其顶底板厚度已在工程概况部分中描述。

“三带”判别法：煤层综采开采条件下，使用“三带”判别法时，冒落带高度以及导水裂隙带高度的计算公要式采用《建筑物、水体、铁路及主用井巷煤柱留设与压煤开采规范》中的经验公式来进行估算，金达煤业三采区9号煤层顶板为石灰岩，属于坚硬岩石，所以计算公式选择坚硬顶板一栏的公式，计算完毕后，若上下煤层的层间距大于下部煤层的裂隙带高度，则上部煤层只发生整体移动，且整体性不受破坏，可正常进行上行开采。

围岩平衡法：金达煤业现有情况属近距离煤层的上行开采，可根据“围岩平衡法”进行判断可行性，由于上行开采会破坏上覆岩层原始应力的平衡状态，平衡状态一旦破坏，上覆岩层的横向和纵向也会遭受破坏，上覆岩层的横向及纵向变形会产生大量采动裂隙，从而会破坏煤层自身的结构，但是随着时间延长，采动裂隙重新闭合压实，而纵向的剪切变形则表现为煤层发生台阶错动，破坏煤层结构。后者是影响上行开采的关键因素，控制岩层台阶错动，实际上就是采场围岩力学平衡问题。当采场上覆岩层中有坚硬岩层时，上煤层应位于距下煤层最近的平衡岩层之上，便可采用上行开采方法。

比值判别法：用比值判别法判断上行开采是否成功，主要取决于上下2层煤之间的层间距与下部所采煤层的厚度之比，根据我国煤层上行开采的实践经验，当下部开采一个煤层时，若采动影响倍数K＞7.5，上煤层便可正常进行掘进和采煤。

数理统计法：对于数理统计方法，可由我国煤矿蹬空开采的部分实例，得出蹬空开采上下2层煤必须的层间距的经验公式来进行计算。

合理时间法：对于使用上行开采的合理时间方法，可根据国内上行开采实践经验，下层煤的顶板属于坚硬岩层，便得到合理公式。5种方法公式及结果见表1。

由表1可知：“三带”判别法经计算得出9号煤开采之后，4号煤位于9号煤的导水裂隙带之上，即弯曲下沉带范围之内，4号煤层只发生整体移动，整体完整性不受破坏，可以上行开采；围岩平衡法得出9号煤层开采后，上覆岩层围岩平衡高度12.96 m。4号煤层和9号煤层间距大于上行开采必要的围岩平衡高度，可进行上行开采；比值判别法得出K值远大于7.5，4号煤层可进行正常掘进及回采；数理统计法上行开采必须的层间距远小于9号煤和4号煤的层间距，满足上行开采条件；使用合理时间方法，由经验公式计算后，得到9号煤和4号煤的开采时间间隔要大于4个月，根据金达煤业的设计开采情况，该时间间隔满足要求，即满足上行开采的要求。

表1 基于理论计算的上可行性研究分析结果表

2.2 基于数值模拟的上覆岩层破坏分析及可行性研究

数值模拟采用F LAC3D计算软件，模型模拟9号煤层厚度1.09 m；4号煤层厚度0.9 m。模拟时煤层埋藏深度按4号煤层最大埋深350 m考虑，模型上覆岩层的重力按均布载荷施加在模型的上部边界。模型建好之后按照各个岩层的物理力学参数对岩层进行赋值并施加位移及应力边界条件，之后将模型运行至平衡状态，模拟边界条件由如图1所示，在已经赋值平衡的模型上进行开挖9号煤工作面，工作面长度分别为160 m，开挖260 m后进行模拟计算，分析9号煤层上覆岩层的塑性区分布情况和垂直及水平应力分布情况。9号煤层开挖后的模型如图2所示。

图2 模型开挖示意图

9号煤采用垮落法管理顶板，矿方目前采用区段煤柱护巷。图3所示为9号煤开采之后，煤层及上覆岩层不同位置的塑性区分布图。图（a）所示为开采之后塑性区分布的正视图，图（b）所示为9号煤顶板的塑性区分布俯视图。4号煤底板未发生塑性变化。

图3 9号煤开采之后不同位置塑性分布图

9号煤开采后各岩层初始应力平衡状态受到破坏，受采动影响，采场周围的应力重新分布，经过运算后重新达到平衡。图4（a）—图4（c）所示为9号煤开采后模型的垂直应力分布正视图及顶板岩层不同位置的应力分布平面图。

图4 9号煤开采前后不同位置垂直应力分布图

由图4（b）、（c）可知，9号煤开采之后，上覆岩层在采空区顶板中央部分应力比较低，工作面在煤柱上方出现应力增高区；随着高度的增加，采空区顶板中央及四周垂直应力逐渐变小，由采空区中央到四周呈现明显的梯度分布，应力等值线圈的数量随着高度的增加逐渐变小，说明高度越高，受9号煤的采动影响程度就越小。为研究9号煤开采后的顶板下沉对4号煤层的影响，下面将分析9号煤开采后的位移分布特征，研究上行开采的可行性。

图5所示为9号煤开采之后模型不同位置的岩层的垂直位移特征图。由图5（a）可知，9号煤开采之后，工作面采空区顶板发生下沉，在模型上表面出现了以工作面中央为圆心的下沉区域；在水平方向，模型中央处位移最大，由采空区中央到煤柱位移逐渐变小；垂直方向，9号煤顶板位移量比较大，随着高度的增加，位移量逐渐变小。由图5（b）、（c）可知，不同位置的岩层的位移分布以工作面中央为基准形成不同半径的不规则椭圆形区域，中央处位移量最大。4号煤底板位移量比较小，发生整体的下沉，受9号煤影响程度比较小。

图5 9号煤开采后不同位置位移特征图

综合以上分析结果及2.1节计算的“三带”高度，可知：9号煤开采之后，在顶板20 m范围内发生大面积的塑性破坏，顶板20～60 m范围内的破坏范围明显减少，4号煤底板没有发生明显的塑性破坏，适合上行开采；4号煤的底板垂直应力由9.5 MPa降低为6.8 MPa，上覆煤层底板的应力得到降低，有利于4号煤层的开采；4号煤及其他煤层顶底板发生整体下沉，在采空区中央的位移量最大，但整体位移量比较小，对上层煤的开采影响不大。因此，9号煤的开采对上覆煤层开采影响比较小，开采9号煤后再开采4号煤层是可行的。

另外，由于9号煤工作面之间采用区段煤柱护巷，由图3、图4、图5分析可知，9号煤开采之后，由于煤柱的支撑作用，在煤柱中产生应力非常明显的集中现象，顶板不同位置的位移及应力都呈现出由工作面中央到煤壁的变化梯度现象。结合理论分析，9号煤开采之后，4号煤及其顶底板在整体下沉的过程中，由于煤柱的支撑作用，可能会因下沉量不一致导致4号煤顶底板出现台阶下沉现象；在4号煤开采过程中可能出现上层煤应力分布不均匀不利于上行开采。因此应该尽量减少煤柱的支撑效应给上行开采带来的影响，即采用无煤柱开采技术，既能提高9号煤的回采率，也更加有利于4号煤的上行开采。

3 结论

1）“三带”判别法、围岩平衡法、比值判别法、数理统计法经计算可知，现在条件满足上行开采条件。使用合理时间方法，得到9号煤和4号煤的开采时间间隔要大于4个月，满足上行开采的要求。

2）利用数值模拟软件对4号煤层上行开采的可行性进行分析验证，由数值模拟结果可以看出：4号煤及其顶底板发生整体下沉，在采空区中央的位移量最大，但整体位移量比较小，对上层煤的开采影响不大。