沙沟岔煤矿5201盘区上行开采可行性分析

杨 飞，高瑞强，王欣，吴玉意，宋立平，杨 军

(1.陕西省府谷县沙沟岔煤矿，陕西 榆林 719400；2.中煤能源研究院有限责任公司，陕西 西安 710054)

0 引言

沙沟岔煤矿是府谷县的国有煤矿，井田位于神府矿区东部新民开采区。4-3煤层大面积已被采空，仅在局部地段留有残煤或预留煤柱，大面积开采使4-3煤层采空区导水裂缝发育，普遍为含水采空区，仅在含水程度上有所差异，局部地段有可能存在水量较大的采空区。5-1煤层与上、下相邻4-3煤层和5-2煤层之间相距较近，开采过程可能形成的导水裂缝带及其它等多种因素，分析认为5-1煤层开采面临较严重的安全风险，提出了暂不开采5-1煤层的建议，即先开采5201盘区的5-2煤，再开采5-1煤。因此，需要对5201盘区上行开采的可行性、安全性进行多因素分析论证。

国内外许多煤炭科技工作者对上行开采技术进行了大量深入的研究，并取得了许多较为丰富的研究成果[1-16]。具体如，对缓倾斜煤层上行开采的研究表明，当下部开采一个煤层时，采动影响倍数K>6，可成功进行上行开采；采用充填法上行开采时，采动影响倍数K为2.3～2.9，上煤层未受破坏，可以进行正常上行开采。当开采缓倾斜和倾斜煤层、下层煤为单层煤时，K>10，上行开采可行；K<10，上煤层受到不同程度的破坏，采取一定技术措施，可以上行开采。当开采急倾斜煤层群时，下层煤为单层煤时，K>8，上行开采可正常进行。

1 上行开采探讨

通过近年来我国相关理论研究与生产实践，上行开采公认的理论研究与计算方法主要有比值判别法、“三带”判别法、围岩平衡法和数理统计法。

1.1 工程概况

矿井共有7层煤，由上到下分别为4-2上、4-3上-1、4-3上、4-3、5-1、5-2上、5-2号煤层。而5201盘区涉及3层煤，其可采煤层特征见表1。

表1 5201盘区煤层特征一览 单位：m

1.2 比值判别法

采动影响倍数计算方法：根据实践经验，国内外关于上行开采一般常把采动影响倍数K的大小作为能否实现上行开采的依据。上下煤层之间的层间距和下位煤层采厚的比值K计算，如图1所示。

图1 上行开采的比值判别

K=H/M

(1)

式中，H—上下煤层层间距，m；M—下煤层采高，m。

开采厚度及层间距统计：我国垮落上行顺序开采的生产实践和研究证明，当比值K>7.5时，先采下位M2煤层后，在上位M1煤层中可以进行正常采掘活动。5201盘区5-2煤上行开采区域内5-2煤平均厚2.52 m，5-1煤平均厚度为0.86 m，5-2煤与5-1煤层间距为40.08 m。上行开采煤层厚度及层间距、系数K统计见表2。

表2 5201盘区煤层开采厚度及层间距统计

根据统计，5-2上行开采区域5-2对5-1煤平均采动影响倍数K为16.25，最小为11.54，最大为23.98，所有钻孔统计H/M的值均远大于7.5，根据国内比值判别法，层间距完全满足上行开采要求。

1.3 三带判别法

计算公式：根据相关公式计算，根据煤层平均厚度计算导水裂缝带高度见表3、冒落带高度见表4。

表3 导水裂缝带高度

表4 冒落带高度

计算结果：针对每个钻孔分别取值，按照上述计算结果最大公式分别进行计算，冒落带采用公式(5)，导水裂缝带采用公式(4)，计算结果见表5。冒落带高度取各钻孔冒落带平均值，为10.34 m，导水裂缝带高度取各钻孔平均值44.86 m，而煤层层间距为40.08 m，故5-2煤层处于冒落带之上、冒落带与导水裂缝带之间的上部，属于“三带”判别法的观点二。根据前面研究与开采实践，5-2煤层开采后，5-1煤层结构只发生中等程度的破坏，采取一定技术措施后，可以实现上行开采。

表5 各钻孔冒落带、导水裂缝带高度

1.4 围岩平衡法

计算公式：采用围岩平衡法判别上行开采的准则是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；当采场上覆岩层均为软岩层时，上煤层应位于围岩裂缝带内。上行开采必要的层间距H按公式(7)估算

H>M/(k-1)+h

(7)

式中，M—下煤层采厚，m；k—岩层的碎胀系数；h—平衡岩层厚度，取值2～3倍采高，根据煤(岩)层柱状图，取6 m。如果岩层力学强度较高，而且岩层达到一定厚度，在煤层回采覆岩破断过程中，能起到平衡岩层结构的作用，此结构上部的岩(煤)层根据相关理论与研究将不会发生台阶错动，可以采用上行开采。

计算结果：根据公式(7)，中硬岩层的碎胀系数取平均值k=1.25，已知5-2煤层采高2.52 m，先算出H为10.08 m，平衡岩层厚度6 m，则围岩平衡高度为16.08 m。对照“柱状图”可知，5-2煤顶板冒落高度之上有3种情况，第1种为硬岩，硬岩厚度6 m左右；第2种为软岩(泥岩)；第3种为复合岩层，岩层厚度较薄。第1种符合理论计算高度，第2种和第3种则需要在冒落带高度最近寻找具有一定厚度的坚硬岩层，根据柱状图所示，平衡岩层高度为16.08～26.57 m。5-2煤与5-1煤层间距为40.08 m，大于H=26.57 m。由此可知，5-1煤层处于平衡岩层之上，5-1煤层整体连续下沉，不会发生台阶错动，可以正常回采。

判别结果：根据围岩平衡法的判别准则，沙沟岔矿井下位5-2煤开采后，两层煤之间的坚硬粉砂岩或者细粒砂岩能起到平衡岩层的作用，该平衡层强度高，厚度大于采高2.52 m，平衡岩层厚度约为6 m。经统计计算，5-2煤层开采后的冒落带高度为10.34 m，平衡高度与裂缝带关系如图2所示。根据前面三带分析与计算，该平衡高度位于裂缝带范围内的中部，处于上层煤5-1煤层底板之下，说明5-1煤层围岩不会发生大的变形与破坏，煤层只会发生整体下沉或局部有台阶下沉。所以，上行开采是可行的。

图2 平衡高度与裂缝带关系

1.5 数理统计法

基于国内外利用垮落法进行上行开采的研究，当层间距小于或等于冒落带高度时，上部煤层将受到中等影响，不能进行上行开采；当层间距小于或等于裂缝带高度时，上部煤层受到中等程度影响，在采取相应的安全措施条件下，可以实现上行开采；当层间距大于裂缝带最大高度时，上部煤层只受到轻微影响或无影响，可以进行正常上行开采。在分析了多种情况下进行的受一个煤层和多个煤层采动影响的上行开采的104个实例及上部煤层内的巷道受采动影响的13个实例分析后，提出了上行开采的可行性判别的数理统计关系，见式(8)

(8)

式中，M1—下煤层的采高，取2.52 m；M2—上层煤采高，取0.9 m。根据上述公式，则H>12.27 m。而5-1煤与5-2煤层间距平均为40.08 m，大于12.27 m，满足上行开采要求。

2 上行开采安全技术措施

2.1 加强地质探查

及时关注矿井水文变化：5-2煤层未来掘进施工中导水裂缝有可能进一步发育，上覆4-3煤层采空区水量富集地段有可能影响该煤层安全开采，矿方在开采过程中应及时关注矿井水文变化情况。尤其是4-3煤和5-2煤层之间的5-1煤，因其距上覆4-3煤层仅37.67 m，距下伏5-2煤层40.08 m，而4-3煤层大多地段为充水采空区，其下伏5-1煤层开采过程中形成的导水裂缝带极有可能在水量较多的地段与4-3煤层导水裂缝相互沟通和迭加，进而诱发与5-2煤层采空区地段导水裂缝的连通，导致5-2煤层开采的风险加大、隐患增多。

防止导水裂缝带导通：区内大部可采5-1号煤层，可采厚度0.70～0.95 m，平均厚度0.86 m。依据物探成果分析，在5-1号煤层可采范围南部及东部下部的5-2煤层采空，形成了4.72 km2的蹬空范围，蹬空范围5-1号煤层估算资源量600.07万t，不利于5-1煤层安全开采。从充水因素角度分析，5-1煤层导水裂缝带高度为27.89～31.07 m，5-1与4-3煤层间距为32.68～40.15 m，5-1煤层导水裂缝带顶距4-3煤层采空区底板均小于10 m，东部小于5 m。依据煤矿开采经验，把4-3煤层底板破坏深度按10 m计算，5-1煤层导水裂缝带导通高度为37.89～41.07 m。因此，5-1煤层导水裂缝带将导通4-3煤层采空区底板，根据地质报告，4-3煤层采空区多为含水采空区，导通后，地下水将通过导水裂缝带进入5-1煤层开采工作面，造成矿坑涌水量剧增，威胁人员、设备安全。

2.2 防治水思路与措施

防治水思路：5201盘区工作面防治水坚持以“防”为主，“防治”结合的防治水思路。一要建立和完善水文观测系统，采用物探和钻探相结合，监测与试验相结合，井上、井下立体探查等方式，重点探查4-3煤采空区水文地质条件，探查研究顶板“三带”发育规律和充水含水层富水特征；二要进一步优化防治水技术措施，在保障矿井安全的前提下，实现防治水工作、工程与矿井生产接续和经济效益的统一。

防治水措施：①以预防为主，杜绝恶性灾害发生。对突然涌水事故，一是要查清并排除；二是健全排水系统；三是要有可靠的避灾措施。②结合水文地质条件，重点采空区、富水异常区分布情况，坚持预先可控疏放至安全标准后渐进回采的原则，实现“消峰平谷”，使顶板水平稳泄出。③有计划、有针对性地进行采区水文地质条件精细调查、勘探和观测工作，分析研究地下水的赋存和运动规律，为防治水工作提供技术依据。

3 结语

通过比值法、三带判别法、围岩平衡法、数理统计等理论研究与计算，5-2煤层采用长壁综采技术开采后，上煤层5-1煤层处于冒落带之上和导水裂缝带范围内的上部，5-1煤层会出现整体下沉，但不会发生足以影响5-1煤正常回采的台阶下沉。分析认为，采取一定的技术措施后，5-1煤上行开采在理论上是可行的。