硫磺沟煤矿近距离煤层上行性开采可行性研究
摘要：硫磺沟煤矿1W（9-15）102采煤工作面开采对其上覆的7号和4-5号煤层造成采动影响，为了充分回收煤炭资源，提高矿井资源回采率，文章结合矿井开拓、开采现状，对4-5、7号煤层受工作面开采影响的范围、影响程度进行了分析研究。
关键词：上行开采；可行性；影响范围 1矿井概况
硫磺沟煤矿位于准南煤田头屯河中游西侧硫磺沟矿区中部，矿井采用斜井—暗斜井开拓。井田内有可采的煤层3层，分别为4-5、7和9-15号煤层；煤层顶、底板属不稳定；矿井属高瓦斯；7和4-5号煤层个别点属不易自燃煤，9-15和4-5号煤层大部属易自燃煤层，煤尘均有爆炸性；水文地质类型为裂隙类充水的简单型。
硫磺沟煤矿0.9 Mt/a改扩建工程于2011年1月通过竣工验收，目前已经回采的1 W（9-15）102工作面走向长度约900 m，剩余走向长度约300 m。1 W（9-15）102采煤工作面开采对其上覆的7号和4-5号煤层造成采动影响，为了充分回收煤炭资源，提高矿井资源回采率，本文对受1 W（9-15）102工作面影响的上覆4-5、7号煤层的开采方案进行了分析论证，并提出了开采时机、采煤方法以及开采的安全技术措施和要求。
2上行式开采技术可行性分析
2.1上行式开采与围岩平衡问题
根据采场围岩控制研究及生产实践，采场上覆岩体在垂直方向上可分为冒落带、裂隙带及弯曲下沉带。从围岩平衡的观点可分为冒落非平衡带、裂隙带的下位岩层部分平衡带、裂隙带的下位岩层之上的平衡带。
在平衡带可形成“煤壁-裂隙带上位岩层-矸石”为支撑体系的平衡岩层结构。平衡岩层结构能阻止上覆岩（煤）层发生纵向台阶错动，消除上行开采的最大障碍，因此，当上煤层位于平衡岩层之上时，即可进行上行开采。
2.2影响上行开采的主要因素
影响上行开采的主要因素有煤层间距、采高、采煤方法、层间岩性及结构、煤层倾角和稳定时间等方面。足够的层间距是上行开采的基本条件，采高是影响上覆岩层破坏状况的根本因素，上、下煤层间距（H）与采高（M）的比值（H/M）越大，上覆煤层移动越平缓，倾斜、曲率等各种变形值越小，越有利于上行开采。采煤方法是控制上覆岩层破坏高度的重要因素，利用全部垮落法管理顶板时，采场上覆岩层一般都形成“三带”，对上行开采不利。层间岩石力学性质及结构在一
定程度上影响上覆岩层破坏高度，当顶板岩石硬度较高时，冒落带和裂隙带发育较高，岩层主要以断块充填采空区；当顶板岩层强度较低时，冒落带和裂隙带发育较低，主要以岩层弯曲充填采空区。煤层倾角主要影响采场上覆岩层破坏的空间形态，布置回采工作面应考虑空间位置。回采稳定时间是成功实现上行开采的关键，上行开采时，上下煤层的回采应有足够的时间间隔，否则，即使有足够的层间距，上行开采也会很困难。
2.3上行式开采“三带”计算
井田内9-15号煤层平均厚度32.94 m，设计采用走向长壁综合机械化分层放顶煤采煤法。矿井投产工作面位于9-15号煤层上分层，由于放顶煤开采瞬间出煤量大导致瞬间绝对瓦斯涌出量增大，因此，9-15号煤层上分层做为层开采，平均采高为9.5 m，工作面开帮高度3.0 m，放顶煤平均高度6.5 m，采放比为1‥2.2；9-15号煤层中、下分层平均采高为11.8 m，工作面开帮高度3.0m，放顶煤平均高度8.8 m，采放比为1‥2.9。
矿井目前开采的1W（9-15）102工作面倾斜长度105 m，工作面走向长度约1 200 m，倾角19 ̊，工作面回风顺槽开采高度21 m，运输顺槽开采高度9.5 m，平均开采厚度15.25 m。工作面实际回采率为65%～73%，平均回采率69%。9-15号煤层距离上部4-5号煤层间距约15 m。由于煤矿开采过程中缺少1 W（9-15）102工作面顶板移动的观测数据及相关材料，设计根据一般经验公式、两带高度法及采动影响倍数法分别计算1 W（9-15）102工作面开采后的顶板冒落带与裂隙带高度，分述如下：
①根据一般经验公式
h1=，h2=（1~3）h1m（1）
式（1）中：m为煤层开采厚度，m；k为岩石松散系数，按一般经验取1.4；a为煤层倾角，根据地质报告该区段煤层倾角取19 ̊；h1为冒落带高度，m；h2为导水裂隙带高度，m。
该经验公式大部分是由一次采全高工艺或分层开采总结而来，而本矿采用放顶煤开采，利用该公式计算需对煤层开采厚度进行修正。煤矿工作面实际平均回采率为69%，则修正后的煤层开采厚度为m=0.69×15.25=10.52 m。
计算可得，1 W（9-15）102工作面采空区冒落带高度h1=
27.82 m，导水裂隙带高度h2=3×h1m=83.46 m。
②两带高度法。根据地质报告提供的煤层顶底板岩石物理力学实验数据统计表，在1 W（9-15）102工作面影响范围附近除了7号煤层顶板27-2钻孔附近围岩天然单向抗拉强度较小（为5.60 MPa），其余9-15号煤层顶板、4-5号煤层顶底板围岩天然单向抗拉强度为20~40 MPa之间，因此选择公式如下：
冒落带经验公式：
h1=（3~4）M（2）
导水裂隙带（包括冒落带最大高度）经验公式：
Hf=+5.1（3）
式（3）中：M为累计采厚，m；n为煤分层层数，取1。
该经验公式大部分是由一次采全高采煤工艺或分层开采总结而来，而本矿采用放顶煤开采，利用该公式计算需对煤层开采厚度进行修正。煤矿工作面实际平均回采率为69%，则修正后的煤层开采厚度为：
M=0.69×15.25=10.52 m。
计算可得，1 W（9-15）102工作面采空区冒落带高度h1=4 M=4×10.52=42.08 m，导水裂隙带高度Hf=153.27 m。
③采动影响倍数法。由于9-15号煤层目前为单一煤层开采，则采动影响倍数可计算为：
K==>7.5（4）
式（4）中：K为采动影响倍数；h为煤层间距，4-5号煤层距离9-15号煤层间距约为15 m；M为开采厚度，m。修正后的煤层开采厚度为M=0.69×15.25=10.52 m。
计算可得，K===1.43≯7.5（5）
④上行开采空间因素校核。判断能否上行开采的空间因素是：上煤层是否位于规则冒落带范围，而且满足如下条件：岩层岩性具有适合的岩性构成和厚度比，符合以下关系式。
2层煤之间岩性呈上软下硬时：
Δh=3.8193（）2·+3.9447（6）
2层煤之间岩性呈上硬下软时：
Δh=4.0304（）2·+6.5796（7）
式（6），（7）中：Δh为为最大台阶错动量，m；Hr为为软岩厚度，m；Hy
为为硬岩厚度，m。
根据地质报告，7号煤层顶板为一层泥岩，天然抗压强度仅为5.60 MPa。厚度为1.42 m，即Hr=1.42 m，带入上式得：
Δh=3.8193（）2·+3.9447=3.8193（）2·+3.9447=3.97 m（8）
即受1 W（9-15）102工作面采动影响后，上部4-5号煤层在冒落带范围内的最大台阶错动高度为3.97 m。
3上行开采计算结果分析
由于1 W（9-15）102工作面与上部4-5号煤层间距约为15 m，与上部7号煤间距约为13 m，根据一般经验公式和两带高度法计算结果可知，1 W（9-15）102工作面上覆4-5和7号煤层均位于开采后形成的冒落带内。
根据采动影响倍数法检验，开采单一煤层9-15号煤层第一分层时，采动影响倍数小于7.5，说明4-5号煤层底板岩层已不稳定。又根据1 W（9-15）102工作面回采后，上部4-5号煤层位于冒落带内的最大台阶错动是3.97 m，而4-5号煤层平均厚度约为6.3 m，7号煤平均厚度为2.06 m。因此，经过一段时间，上覆岩层运动趋于稳定后，4-5号煤层可采出部分资源；7号煤已被完全破坏，无法布置工作面回采。
4煤层受采动影响范围及储量
矿井目前开采的1 W（9-15）102工作面斜长105 m，走向长度约1 200 m，工作面回风顺槽开采高度21 m，运输顺槽开采高度9.5 m，平均开采厚度15.25 m。9-15号煤层距离上部4-5号煤层间距约15 m。由于煤矿开采过程中缺少顶板观测数据，设计参考国内相似开采条件的矿井，按上山移动角γ=68 ̊，下山移动角β=75-0.3 a=75-0.3×19=69.3 ̊，圈定上覆煤层影响范围，经计算受影响4-5号煤层走向长约1 200 m，倾斜长136 m，该范围内煤炭资源量约1.32 Mt，其中包括除DF6断层保护煤柱资源量0.72 Mt，则可以回收的4-5煤层地质资源量约0.60 Mt；受影响7号煤层走向长约1 200 m，倾斜长135 m，资源量约0.43 Mt，其中包括除DF6断层保护煤柱资源量0.23 Mt。
参考文献：
[1] 吴向前.济宁三号煤矿放顶煤上行开采关键技术探讨[J].煤炭科学技术,2009,(8).
[2] 马立强,汪理全,张东升,等.近距离煤层群上行开采机理分析与工程应用[D].上海:中国科学院上海冶金研究所,2000.
