硫磺溝煤礦近距離煤層上行性開采可行性研究

摘要：硫磺溝煤礦1W（9-15）102采煤工作面開采對(duì)其上覆的7號(hào)和4-5號(hào)煤層造成采動(dòng)影響，為了充分回收煤炭資源，提高礦井資源回采率，文章結(jié)合礦井開拓、開采現(xiàn)狀，對(duì)4-5、7號(hào)煤層受工作面開采影響的范圍、影響程度進(jìn)行了分析研究。

關(guān)鍵詞：上行開采；可行性；影響范圍

中圖分類號(hào)：TD823 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1006-8937（2014）21-0163-02

1礦井概況

硫磺溝煤礦位于準(zhǔn)南煤田頭屯河中游西側(cè)硫磺溝礦區(qū)中部，礦井采用斜井—暗斜井開拓。井田內(nèi)有可采的煤層3層，分別為4-5、7和9-15號(hào)煤層；煤層頂、底板屬不穩(wěn)定；礦井屬高瓦斯；7和4-5號(hào)煤層個(gè)別點(diǎn)屬不易自燃煤，9-15和4-5號(hào)煤層大部屬易自燃煤層，煤塵均有爆炸性；水文地質(zhì)類型為裂隙類充水的簡(jiǎn)單型。

硫磺溝煤礦0.9 Mt/a改擴(kuò)建工程于2011年1月通過(guò)竣工驗(yàn)收，目前已經(jīng)回采的1 W（9-15）102工作面走向長(zhǎng)度約900 m，剩余走向長(zhǎng)度約300 m。1 W（9-15）102采煤工作面開采對(duì)其上覆的7號(hào)和4-5號(hào)煤層造成采動(dòng)影響，為了充分回收煤炭資源，提高礦井資源回采率，本文對(duì)受1 W（9-15）102工作面影響的上覆4-5、7號(hào)煤層的開采方案進(jìn)行了分析論證，并提出了開采時(shí)機(jī)、采煤方法以及開采的安全技術(shù)措施和要求。

2上行式開采技術(shù)可行性分析

2.1上行式開采與圍巖平衡問(wèn)題

根據(jù)采場(chǎng)圍巖控制研究及生產(chǎn)實(shí)踐，采場(chǎng)上覆巖體在垂直方向上可分為冒落帶、裂隙帶及彎曲下沉帶。從圍巖平衡的觀點(diǎn)可分為冒落非平衡帶、裂隙帶的下位巖層部分平衡帶、裂隙帶的下位巖層之上的平衡帶。

在平衡帶可形成“煤壁-裂隙帶上位巖層-矸石”為支撐體系的平衡巖層結(jié)構(gòu)。平衡巖層結(jié)構(gòu)能阻止上覆巖（煤）層發(fā)生縱向臺(tái)階錯(cuò)動(dòng)，消除上行開采的最大障礙，因此，當(dāng)上煤層位于平衡巖層之上時(shí)，即可進(jìn)行上行開采。

2.2影響上行開采的主要因素

影響上行開采的主要因素有煤層間距、采高、采煤方法、層間巖性及結(jié)構(gòu)、煤層傾角和穩(wěn)定時(shí)間等方面。足夠的層間距是上行開采的基本條件，采高是影響上覆巖層破壞狀況的根本因素，上、下煤層間距（H）與采高（M）的比值（H/M）越大，上覆煤層移動(dòng)越平緩，傾斜、曲率等各種變形值越小，越有利于上行開采。采煤方法是控制上覆巖層破壞高度的重要因素，利用全部垮落法管理頂板時(shí)，采場(chǎng)上覆巖層一般都形成“三帶”，對(duì)上行開采不利。層間巖石力學(xué)性質(zhì)及結(jié)構(gòu)在一定程度上影響上覆巖層破壞高度，當(dāng)頂板巖石硬度較高時(shí)，冒落帶和裂隙帶發(fā)育較高，巖層主要以斷塊充填采空區(qū)；當(dāng)頂板巖層強(qiáng)度較低時(shí)，冒落帶和裂隙帶發(fā)育較低，主要以巖層彎曲充填采空區(qū)。煤層傾角主要影響采場(chǎng)上覆巖層破壞的空間形態(tài)，布置回采工作面應(yīng)考慮空間位置?；夭煞€(wěn)定時(shí)間是成功實(shí)現(xiàn)上行開采的關(guān)鍵，上行開采時(shí)，上下煤層的回采應(yīng)有足夠的時(shí)間間隔，否則，即使有足夠的層間距，上行開采也會(huì)很困難。

2.3上行式開采“三帶”計(jì)算

井田內(nèi)9-15號(hào)煤層平均厚度32.94 m，設(shè)計(jì)采用走向長(zhǎng)壁綜合機(jī)械化分層放頂煤采煤法。礦井投產(chǎn)工作面位于9-15號(hào)煤層上分層，由于放頂煤開采瞬間出煤量大導(dǎo)致瞬間絕對(duì)瓦斯涌出量增大，因此，9-15號(hào)煤層上分層做為解放層開采，平均采高為9.5 m，工作面開幫高度3.0 m，放頂煤平均高度6.5 m，采放比為1‥2.2；9-15號(hào)煤層中、下分層平均采高為11.8 m，工作面開幫高度3.0m，放頂煤平均高度8.8 m，采放比為1‥2.9。

礦井目前開采的1W（9-15）102工作面傾斜長(zhǎng)度105 m，工作面走向長(zhǎng)度約1 200 m，傾角19 #778;，工作面回風(fēng)順槽開采高度21 m，運(yùn)輸順槽開采高度9.5 m，平均開采厚度15.25 m。工作面實(shí)際回采率為65%～73%，平均回采率69%。9-15號(hào)煤層距離上部4-5號(hào)煤層間距約15 m。由于煤礦開采過(guò)程中缺少1 W（9-15）102工作面頂板移動(dòng)的觀測(cè)數(shù)據(jù)及相關(guān)材料，設(shè)計(jì)根據(jù)一般經(jīng)驗(yàn)公式、兩帶高度法及采動(dòng)影響倍數(shù)法分別計(jì)算1 W（9-15）102工作面開采后的頂板冒落帶與裂隙帶高度，分述如下：

①根據(jù)一般經(jīng)驗(yàn)公式

h1=，h2=（1~3）h1m（1）

式（1）中：m為煤層開采厚度，m；k為巖石松散系數(shù)，按一般經(jīng)驗(yàn)取1.4；a為煤層傾角，根據(jù)地質(zhì)報(bào)告該區(qū)段煤層傾角取19 #778;；h1為冒落帶高度，m；h2為導(dǎo)水裂隙帶高度，m。

該經(jīng)驗(yàn)公式大部分是由一次采全高工藝或分層開采總結(jié)而來(lái)，而本礦采用放頂煤開采，利用該公式計(jì)算需對(duì)煤層開采厚度進(jìn)行修正。煤礦工作面實(shí)際平均回采率為69%，則修正后的煤層開采厚度為m=0.69×15.25=10.52 m。

計(jì)算可得，1 W（9-15）102工作面采空區(qū)冒落帶高度h1=

27.82 m，導(dǎo)水裂隙帶高度h2=3×h1m=83.46 m。

②兩帶高度法。根據(jù)地質(zhì)報(bào)告提供的煤層頂?shù)装鍘r石物理力學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表，在1 W（9-15）102工作面影響范圍附近除了7號(hào)煤層頂板27-2鉆孔附近圍巖天然單向抗拉強(qiáng)度較小（為5.60 MPa），其余9-15號(hào)煤層頂板、4-5號(hào)煤層頂?shù)装鍑鷰r天然單向抗拉強(qiáng)度為20~40 MPa之間，因此選擇公式如下：

冒落帶經(jīng)驗(yàn)公式：

h1=（3~4）M（2）

導(dǎo)水裂隙帶（包括冒落帶最大高度）經(jīng)驗(yàn)公式：

Hf=+5.1（3）

式（3）中：M為累計(jì)采厚，m；n為煤分層層數(shù)，取1。

該經(jīng)驗(yàn)公式大部分是由一次采全高采煤工藝或分層開采總結(jié)而來(lái)，而本礦采用放頂煤開采，利用該公式計(jì)算需對(duì)煤層開采厚度進(jìn)行修正。煤礦工作面實(shí)際平均回采率為69%，則修正后的煤層開采厚度為：

M=0.69×15.25=10.52 m。

計(jì)算可得，1 W（9-15）102工作面采空區(qū)冒落帶高度h1=4 M=4×10.52=42.08 m，導(dǎo)水裂隙帶高度Hf=153.27 m。

③采動(dòng)影響倍數(shù)法。由于9-15號(hào)煤層目前為單一煤層開采，則采動(dòng)影響倍數(shù)可計(jì)算為：

K==>7.5（4）

式（4）中：K為采動(dòng)影響倍數(shù)；h為煤層間距，4-5號(hào)煤層距離9-15號(hào)煤層間距約為15 m；M為開采厚度，m。修正后的煤層開采厚度為M=0.69×15.25=10.52 m。

計(jì)算可得，K===1.43≯7.5（5）

④上行開采空間因素校核。判斷能否上行開采的空間因素是：上煤層是否位于規(guī)則冒落帶范圍，而且滿足如下條件：巖層巖性具有適合的巖性構(gòu)成和厚度比，符合以下關(guān)系式。

2層煤之間巖性呈上軟下硬時(shí)：

Δh=3.8193（）2·+3.9447（6）

2層煤之間巖性呈上硬下軟時(shí)：

Δh=4.0304（）2·+6.5796（7）

式（6），（7）中：Δh為為最大臺(tái)階錯(cuò)動(dòng)量，m；Hr為為軟巖厚度，m；Hy為為硬巖厚度，m。

根據(jù)地質(zhì)報(bào)告，7號(hào)煤層頂板為一層泥巖，天然抗壓強(qiáng)度僅為5.60 MPa。厚度為1.42 m，即Hr=1.42 m，帶入上式得：

Δh=3.8193（）2·+3.9447=3.8193（）2·+3.9447=3.97 m（8）

即受1 W（9-15）102工作面采動(dòng)影響后，上部4-5號(hào)煤層在冒落帶范圍內(nèi)的最大臺(tái)階錯(cuò)動(dòng)高度為3.97 m。

3上行開采計(jì)算結(jié)果分析

由于1 W（9-15）102工作面與上部4-5號(hào)煤層間距約為15 m，與上部7號(hào)煤間距約為13 m，根據(jù)一般經(jīng)驗(yàn)公式和兩帶高度法計(jì)算結(jié)果可知，1 W（9-15）102工作面上覆4-5和7號(hào)煤層均位于開采后形成的冒落帶內(nèi)。

根據(jù)采動(dòng)影響倍數(shù)法檢驗(yàn)，開采單一煤層9-15號(hào)煤層第一分層時(shí)，采動(dòng)影響倍數(shù)小于7.5，說(shuō)明4-5號(hào)煤層底板巖層已不穩(wěn)定。又根據(jù)1 W（9-15）102工作面回采后，上部4-5號(hào)煤層位于冒落帶內(nèi)的最大臺(tái)階錯(cuò)動(dòng)是3.97 m，而4-5號(hào)煤層平均厚度約為6.3 m，7號(hào)煤平均厚度為2.06 m。因此，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，上覆巖層運(yùn)動(dòng)趨于穩(wěn)定后，4-5號(hào)煤層可采出部分資源；7號(hào)煤已被完全破壞，無(wú)法布置工作面回采。

4煤層受采動(dòng)影響范圍及儲(chǔ)量

礦井目前開采的1 W（9-15）102工作面斜長(zhǎng)105 m，走向長(zhǎng)度約1 200 m，工作面回風(fēng)順槽開采高度21 m，運(yùn)輸順槽開采高度9.5 m，平均開采厚度15.25 m。9-15號(hào)煤層距離上部4-5號(hào)煤層間距約15 m。由于煤礦開采過(guò)程中缺少頂板觀測(cè)數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)參考國(guó)內(nèi)相似開采條件的礦井，按上山移動(dòng)角γ=68 #778;，下山移動(dòng)角β=75-0.3 a=75-0.3×19=69.3 #778;，圈定上覆煤層影響范圍，經(jīng)計(jì)算受影響4-5號(hào)煤層走向長(zhǎng)約1 200 m，傾斜長(zhǎng)136 m，該范圍內(nèi)煤炭資源量約1.32 Mt，其中包括除DF6斷層保護(hù)煤柱資源量0.72 Mt，則可以回收的4-5煤層地質(zhì)資源量約0.60 Mt；受影響7號(hào)煤層走向長(zhǎng)約1 200 m，傾斜長(zhǎng)135 m，資源量約0.43 Mt，其中包括除DF6斷層保護(hù)煤柱資源量0.23 Mt。

參考文獻(xiàn)：

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