松軟煤層群首采煤層調(diào)整論證及應(yīng)用研究

張蜀疆

摘 要：由于本礦井原首采層B132煤層頂板整體強度極低、易垮落，巷道掘進、工作面回采難度大，在現(xiàn)有技術(shù)條件下無法實現(xiàn)安全、快速掘進。針對這些問題，礦井必須另選擇首采層來緩解礦井采掘接替緊張的問題，并實現(xiàn)礦井的安全高效生產(chǎn)。

關(guān)鍵詞：首采煤層；上行式開采；可行性

1、礦井概況

某礦井位于新疆和布克賽爾蒙古自治縣城東南63km，井田東西走向長約7.94km，礦井設(shè)計生產(chǎn)能力0.90Mt/a。地質(zhì)構(gòu)造類型：井田構(gòu)造輪廓比較清晰，地層產(chǎn)狀較平緩，傾角一般7°～16°，淺部大深部小，構(gòu)造為向南傾斜的單斜構(gòu)造，區(qū)內(nèi)發(fā)現(xiàn)一條斷裂構(gòu)造。井田內(nèi)全區(qū)可采、大部分可采及局部可采煤層14層，自上而下編號分別為B132、B131、B12、B11、B10、B9、B8、B7、B6、B5、B4、B3、B2、B1號煤層。

井田采用中部回風(fēng)立井+深部主、副斜井的開拓方式，第一煤組開采B122～B131煤層，劃分為二個采區(qū)，運輸水平分別為+550m和最下部+250m水平。第一煤組+550m水平以上為一采區(qū)，+550m～+250m水平之間為二采區(qū)。

2、首采煤層調(diào)整的原因

現(xiàn)場實際施工中，立風(fēng)井揭露B132煤層厚度為2.2m，傾角15°，揭露煤層頂板為厚度24.8m的松散含水礫石層、礫石層與中砂巖互層，其中煤層直接頂為厚度12.4m的松散含水礫石層，粒徑5～32mm，底板為5.4m的粉砂質(zhì)泥巖。

現(xiàn)場施工時，為了防止頂板礫石層冒落，截割頭在距離頂板1m位置截割，留1m頂煤，但開挖后預(yù)留的1m厚煤層及頂板隨即全斷面垮冒，平均冒落高度達2m，并且還有頂板離層的異響，冒落后還伴有零星礫石下落，施工人員無法進行及時支護。由于支護困難、所用時間長，頂板松散含水礫石層層層暴露時間長，造成礫石之間的泥質(zhì)、砂質(zhì)充填物風(fēng)化，礫石又將大量冒落，形成支護前惡性循環(huán)冒落，嚴(yán)重影響施工安全和施工進度。

綜上所述，由于B132煤層頂板為松散含水礫石層，膠結(jié)松散，泥質(zhì)、砂質(zhì)充填物易風(fēng)化，礫石強度大，巖層整體強度極低、易垮落，巷道掘進、工作面回采難度大，工程進度緩慢，在現(xiàn)有技術(shù)條件下無法實現(xiàn)安全、高速掘進。

3、首采煤層的選擇

據(jù)上述分析，礦井原設(shè)計首采B132煤層在現(xiàn)有技術(shù)條件下無法實現(xiàn)安全、高效開采，需根據(jù)現(xiàn)場實際重新選擇礦井首采煤層。根據(jù)地質(zhì)勘探報告可知，礦井主采煤層為B132、B12、B10、B6，由于B10以下煤層埋藏較深，作為首采煤層初期工程量大、投資高，技術(shù)上可行，但工期過長，經(jīng)濟上不合理。所以礦井首采煤層應(yīng)選擇埋藏淺、賦存穩(wěn)定的B12、B10煤層。

3.1煤層賦存條件

（1）B12煤層

煤層可采厚度1.23～4.96m，平均2.88m，局部含1～2層夾矸，火燒點1個（ZK1302孔），屬結(jié)構(gòu)簡單，為全井田可采較穩(wěn)定的厚～中厚～薄煤層。煤層頂板為中砂巖、粗砂巖、泥巖、高炭泥巖、泥質(zhì)粉砂巖，底板為泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、高炭泥巖、細(xì)砂巖。與上部B131煤層間距為26.1～90.87m，平均層間距70.79m。

（2）B10煤層

煤層可采厚度4.82～7.72m，平均5.38m，局部含1～2層夾矸，結(jié)構(gòu)簡單，為全井田可采穩(wěn)定的厚煤層。煤層頂板為粉砂質(zhì)泥巖、中砂巖、細(xì)砂巖、泥質(zhì)粉砂巖，底板為粉砂巖、泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、細(xì)砂巖。與上部B11煤層間距為19.82～64.16m，平均層間距47.42m。

3.2首采層選擇分析與比較

（1）賦存條件分析、比較

根據(jù)煤層底板等高線及資源估算圖可知，B12煤層在首采井田東翼平均厚度為1.3m，并且局部不可采；西翼自井筒中心線（10勘探線）向西煤層厚度變厚，厚度在1.98～5.01m，厚度落差較大。B10煤層在首采井田內(nèi)賦存較為穩(wěn)定，且煤層較厚，厚度在4.5～7.7m，尤其在西翼首采工作面厚度可達7m以上。

（2）煤層頂、底板圍巖情況比較

B10煤層頂、底板較B12煤層頂、底板強度高，利于施工時頂板管理，安全系數(shù)大。

4、上行式開采的可行性

4.1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，上覆煤層移動約平緩，傾斜、曲率等各種變形值越小，越有利于上行開采。

4.2上行開采“三帶”計算

井田內(nèi)B10煤層可采厚度4.82～7.72m，平均5.38m，局部含有1～2層夾矸，屬結(jié)構(gòu)簡單、全礦井可采穩(wěn)當(dāng)?shù)暮衩簩?。與上部局部可采的B11煤層間距19.82～64.16m，平均47.42m。再上一層全區(qū)可采較穩(wěn)定的B12煤層距離B11煤層間距7.39～27.86m，平均19.58m。

B10煤層厚度為4.82～7.72m，平均5.38m。大于4m的厚煤層，根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》的規(guī)定，本煤層可采用的采煤方法有綜采放頂煤、大采高綜采，均具有較大的生產(chǎn)能力和較好的經(jīng)濟效益，并在國內(nèi)礦井生產(chǎn)中得到了驗證。由于放頂煤采煤法回采率較相同條件下的一次采全高采煤法低，剩余煤炭會滯留在采空區(qū)內(nèi)，填充一定的空間，因此放頂煤采煤法的“三帶”范圍較一次采全高范圍小。基于安全考慮，暫按B10煤層“三帶”高度最大的一次采全高采煤工藝形成的“三帶”計算。

（1）根據(jù)一般經(jīng)驗公式計算“三帶”

（取大值3）

式中m—煤層開采厚度，B10煤層厚度為4.82～7.72m，平均5.38m；k—巖石松散系數(shù)，按一般經(jīng)驗取1.4；a—煤層傾角，根據(jù)地質(zhì)報告B10煤層傾角10～15°，取平均值12.5°。h1—冒落帶高度，m；h2—裂隙帶高度，m。

經(jīng)計算可得，12.34≤h1≤19.77m，平均13.77m；199≤h2≤319m，平均222m。

（2）兩帶高度法

根據(jù)地質(zhì)報告，B10煤層頂板、B11底板主要為中砂巖、細(xì)砂巖。根據(jù)地質(zhì)報告提供的煤層頂?shù)装鍘r石物理力學(xué)實驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計表，ZK1203處的B10煤層頂板天然抗壓強度為36.2MPa，B11煤層底板天然抗壓強度為18.4MPa，總體來看，B10～B11煤層之間的巖石呈現(xiàn)下硬上軟的趨勢，因此選擇公式如下：

冒落帶經(jīng)驗公式： ，裂隙帶經(jīng)驗公式：

式中M—累計采厚，B10煤層厚度為4.82～7.72m，平均5.38m；n—煤層分層層數(shù)，取1。

經(jīng)計算可得，19.28≤h1≤30.88m，平均21.52m；72.99≤h1≤113.83m，平均80.87m。

（3）采動影響倍數(shù)法

由于設(shè)計暫考慮B10煤層為單一煤層開采，則采動影響倍數(shù)可計算為：

，式中：K—采動影響倍數(shù)；h—煤層間距，B10煤層距離B11煤層平均間距為47.42m；M—開采厚度，m。

經(jīng)計算可得，

4、結(jié)論

（1）B10煤層頂、底板強度高，利于施工時頂板管理，安全系數(shù)大；上行首采B10煤層有利于其以上煤層疏排水，減少了開采上部煤層時水害威脅。且B10煤層作為首采煤層有利于礦井前期穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)高效，為礦井接續(xù)爭取充分準(zhǔn)備時間，減少了因接續(xù)緊張帶來的安全管理壓力。

（2）根據(jù)上述計算可知，B10煤層開采后形成的冒落帶平均高度在21.52m左右，而B10與B11煤層平均間距為47.42m，因此首先開采B10煤層不會對上部B11煤層產(chǎn)生臺階形破壞，首先開采B10煤層時可行的。