溫莊煤業(yè)3號(hào)煤層蹬空開采可行性論證

劉 浡

(山西焦煤股份公司 生產(chǎn)部，山西 太原 030021)

1 項(xiàng)目背景

根據(jù)《關(guān)于山西潞安溫莊煤業(yè)有限責(zé)任公司礦井兼并重組整合項(xiàng)目初步設(shè)計(jì)變更的批復(fù)》(晉煤基局發(fā)〔2015〕10號(hào)文)的批復(fù)意見，溫莊煤業(yè)投產(chǎn)后在15號(hào)和3號(hào)煤層各布置1個(gè)回采工作面，共同達(dá)到120萬t/a的設(shè)計(jì)產(chǎn)能。但由于投產(chǎn)時(shí)正值煤炭低迷，加之3號(hào)煤層的首采區(qū)處于井田南部，煤層較薄，夾矸較厚，其生產(chǎn)成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于銷售收入，故礦井3號(hào)煤層在竣工驗(yàn)收后一直處于未開采狀態(tài)，僅在15號(hào)煤層進(jìn)行了采掘活動(dòng)，因此，造成了3號(hào)煤層蹬空。

經(jīng)過多年開采，現(xiàn)階段15號(hào)煤層一、二采區(qū)剩余儲(chǔ)量服務(wù)年限僅為6 a，而其三采區(qū)資源均為鐵路、公路、村莊等“三下”壓煤，且地質(zhì)條件復(fù)雜，開采難度巨大，暫不考慮開采。鑒于此，為有效延長(zhǎng)礦井服務(wù)年限，提高資源回收率，并且考慮到現(xiàn)行煤價(jià)回升，論證礦井3號(hào)煤層蹬空開采已迫在眉睫。

2 蹬空開采技術(shù)要求

蹬空開采是指礦井已經(jīng)開采了下部煤層，使上部未采煤層形成了蹬空，在滿足安全開采條件的前提下，對(duì)上部未采煤層進(jìn)行開采。蹬空開采應(yīng)遵循煤炭資源優(yōu)化利用、企業(yè)經(jīng)濟(jì)利益與社會(huì)效益最大化原則，凡安全上可靠、技術(shù)上可行、經(jīng)濟(jì)上合理，必須進(jìn)行開采；在目前技術(shù)條件下難以開采，但采取特殊措施之后經(jīng)濟(jì)上合理的，可以進(jìn)行開采。蹬空開采必須經(jīng)嚴(yán)格技術(shù)論證，滿足要求的情況下，可以進(jìn)行試采，實(shí)施蹬空開采的煤層必須滿足以下條件：

1) 上部蹬空煤層原則上應(yīng)位于下部煤層開采裂隙帶高度以上，若上部煤層位于下部煤層裂隙帶高度以內(nèi)，必須制定有針對(duì)性的、切實(shí)可行的安全技術(shù)保證措施[1]。

2) 蹬空開采的最小層間距不小于下部煤層開采所形成的垮落帶的高度[2]。

3) 先期開采的下部煤層的上覆巖層移動(dòng)已經(jīng)完全穩(wěn)定[3]。

蹬空開采的煤礦，在編制可行性研究報(bào)告時(shí)，應(yīng)通過采動(dòng)影響倍數(shù)法、“三帶”判別理論、圍巖平衡判別法等對(duì)上部煤層蹬空開采的可行性作出初步判定，同時(shí)還應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件制定針對(duì)性的安全技術(shù)保證措施。

3 儲(chǔ)量蹬空開采論證

3.1 采動(dòng)影響倍數(shù)法

煤層間距與下覆煤層采厚之比的計(jì)算公式如下：

式中：K為煤層間距與下覆煤層采厚之比，單位為倍；H間為煤層間距，3號(hào)煤層到15號(hào)煤層間距取最小值105 m。M為煤層的開采厚度，15號(hào)煤層最大開采厚度為4.91 m；K取21.4。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，煤層間距與煤層采厚之比大于6～8倍時(shí)，下部煤層開采后不會(huì)破壞上覆煤層的完整性，其蹬空開采是可行的。因此，根據(jù)采動(dòng)影響倍數(shù)法，15號(hào)煤層采空后，開采上覆的3號(hào)煤層是可行的。

3.2 數(shù)理統(tǒng)計(jì)法

影響上覆煤層開采最小間距的計(jì)算，公式如下：

H>1.14M2+4.14+△M

式中：H為影響上覆煤層開采的最小間距，m；M為煤層的開采厚度，15號(hào)煤層最大開采厚度為4.91 m；Δ為系數(shù)應(yīng)≤1，取1。

根據(jù)上式可知：開采15號(hào)煤層影響上覆煤層開采的最小間距為36.53 m <105 m；因此，根據(jù)數(shù)理統(tǒng)計(jì)法，15號(hào)煤層開采后，開采上覆的3號(hào)煤層是可行的。

3.3 垮落帶最大高度分析法

根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)范》(2017版)，垮落帶最大高度計(jì)算如下(頂板按中硬頂板)：

式中：Hm為煤層采后所形成的垮落帶最大高度，m；M為累計(jì)采厚度，15號(hào)煤層最大開采厚度為4.91 m。

經(jīng)計(jì)算垮落帶最大高度為13.9 m<105 m；因此，15號(hào)煤層開采后，根據(jù)垮落帶最大高度計(jì)算，開采上覆的3號(hào)煤層是可行的。

3.4 導(dǎo)水裂縫帶最大高度分析法

根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)范》(2017版)，導(dǎo)水裂縫帶最大高度計(jì)算(15號(hào)煤層頂板為石灰?guī)r和砂質(zhì)泥巖，按中硬頂板)：

(1)

(2)

式中：Hli為導(dǎo)水裂縫帶高度，m；∑M為累計(jì)采厚度，15號(hào)煤層最大開采厚度為4.91 m；15號(hào)煤層到3號(hào)煤層間距取最小值105 m。

按公式(1)計(jì)算可得：導(dǎo)水裂縫帶高度為48.5 m<105 m，按公式(2)計(jì)算可得：導(dǎo)水裂縫帶高度為54.3 m<105 m。因此，15號(hào)煤層開采后，根據(jù)導(dǎo)水裂縫帶最大高度計(jì)算，開采上覆的3號(hào)煤層是可行的。

3.5 圍巖平衡法

在開采過程中，能夠形成不發(fā)生臺(tái)階錯(cuò)動(dòng)的平衡巖層結(jié)構(gòu)稱為平衡巖層。

上行開采的基本原則是：①當(dāng)采場(chǎng)上覆巖層中有堅(jiān)硬、中硬巖層時(shí)，上部煤層應(yīng)位于下部煤層最近的平衡巖層之上；②當(dāng)采場(chǎng)上覆巖層均為軟巖層時(shí)，上部煤層應(yīng)位于裂隙帶內(nèi)；③上部煤層應(yīng)在下部煤層采空區(qū)引起的上覆巖層移動(dòng)穩(wěn)定之后進(jìn)行開采。

結(jié)合溫莊煤業(yè)煤層賦存條件及其覆巖巖性、結(jié)構(gòu)，可以找到15號(hào)煤層開采后其覆巖上的平衡巖層。15號(hào)煤層上覆巖層為K2、 K3、 K4、 K5、 K6和K7，共6層石灰?guī)r，屬中硬巖層，6層石灰?guī)r起到平衡巖層作用，阻止了平衡巖層上覆的煤(巖)層產(chǎn)生縱向臺(tái)階錯(cuò)動(dòng)，從而消除了(上行開采)開采3號(hào)煤層的最大障礙。確定3號(hào)煤層位于平衡巖層之上的平衡煤(巖)層之后，還必須確認(rèn)下部15號(hào)煤層采后引起上覆巖層移動(dòng)已經(jīng)穩(wěn)定(約3～5 a)，這時(shí)方可進(jìn)行開采，這樣才能確保安全地進(jìn)行采掘。

4 結(jié) 語

綜上所述，在15號(hào)煤層采空區(qū)穩(wěn)定開采后，對(duì)3號(hào)煤層進(jìn)行蹬空開采是可行的，但是建議3號(hào)煤層的巷道支護(hù)、工作面支護(hù)、礦壓監(jiān)測(cè)等方面要采取綜合性措施。