楊 飛，高瑞強(qiáng)，王欣，吳玉意，宋立平，楊 軍

(1.陜西省府谷縣沙溝岔煤礦，陜西 榆林 719400；2.中煤能源研究院有限責(zé)任公司，陜西 西安 710054)

0 引言

沙溝岔煤礦是府谷縣的國有煤礦，井田位于神府礦區(qū)東部新民開采區(qū)。4-3煤層大面積已被采空，僅在局部地段留有殘煤或預(yù)留煤柱，大面積開采使4-3煤層采空區(qū)導(dǎo)水裂縫發(fā)育，普遍為含水采空區(qū)，僅在含水程度上有所差異，局部地段有可能存在水量較大的采空區(qū)。5-1煤層與上、下相鄰4-3煤層和5-2煤層之間相距較近，開采過程可能形成的導(dǎo)水裂縫帶及其它等多種因素，分析認(rèn)為5-1煤層開采面臨較嚴(yán)重的安全風(fēng)險(xiǎn)，提出了暫不開采5-1煤層的建議，即先開采5201盤區(qū)的5-2煤，再開采5-1煤。因此，需要對5201盤區(qū)上行開采的可行性、安全性進(jìn)行多因素分析論證。

國內(nèi)外許多煤炭科技工作者對上行開采技術(shù)進(jìn)行了大量深入的研究，并取得了許多較為豐富的研究成果[1-16]。具體如，對緩傾斜煤層上行開采的研究表明，當(dāng)下部開采一個(gè)煤層時(shí)，采動(dòng)影響倍數(shù)K>6，可成功進(jìn)行上行開采；采用充填法上行開采時(shí)，采動(dòng)影響倍數(shù)K為2.3～2.9，上煤層未受破壞，可以進(jìn)行正常上行開采。當(dāng)開采緩傾斜和傾斜煤層、下層煤為單層煤時(shí)，K>10，上行開采可行；K<10，上煤層受到不同程度的破壞，采取一定技術(shù)措施，可以上行開采。當(dāng)開采急傾斜煤層群時(shí)，下層煤為單層煤時(shí)，K>8，上行開采可正常進(jìn)行。

1 上行開采探討

通過近年來我國相關(guān)理論研究與生產(chǎn)實(shí)踐，上行開采公認(rèn)的理論研究與計(jì)算方法主要有比值判別法、“三帶”判別法、圍巖平衡法和數(shù)理統(tǒng)計(jì)法。

1.1 工程概況

礦井共有7層煤，由上到下分別為4-2上、4-3上-1、4-3上、4-3、5-1、5-2上、5-2號(hào)煤層。而5201盤區(qū)涉及3層煤，其可采煤層特征見表1。

表1 5201盤區(qū)煤層特征一覽 單位：m

1.2 比值判別法

采動(dòng)影響倍數(shù)計(jì)算方法：根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，國內(nèi)外關(guān)于上行開采一般常把采動(dòng)影響倍數(shù)K的大小作為能否實(shí)現(xiàn)上行開采的依據(jù)。上下煤層之間的層間距和下位煤層采厚的比值K計(jì)算，如圖1所示。

圖1 上行開采的比值判別

K=H/M

(1)

式中，H—上下煤層層間距，m；M—下煤層采高，m。

開采厚度及層間距統(tǒng)計(jì)：我國垮落上行順序開采的生產(chǎn)實(shí)踐和研究證明，當(dāng)比值K>7.5時(shí)，先采下位M2煤層后，在上位M1煤層中可以進(jìn)行正常采掘活動(dòng)。5201盤區(qū)5-2煤上行開采區(qū)域內(nèi)5-2煤平均厚2.52 m，5-1煤平均厚度為0.86 m，5-2煤與5-1煤層間距為40.08 m。上行開采煤層厚度及層間距、系數(shù)K統(tǒng)計(jì)見表2。

表2 5201盤區(qū)煤層開采厚度及層間距統(tǒng)計(jì)

根據(jù)統(tǒng)計(jì)，5-2上行開采區(qū)域5-2對5-1煤平均采動(dòng)影響倍數(shù)K為16.25，最小為11.54，最大為23.98，所有鉆孔統(tǒng)計(jì)H/M的值均遠(yuǎn)大于7.5，根據(jù)國內(nèi)比值判別法，層間距完全滿足上行開采要求。

1.3 三帶判別法

計(jì)算公式：根據(jù)相關(guān)公式計(jì)算，根據(jù)煤層平均厚度計(jì)算導(dǎo)水裂縫帶高度見表3、冒落帶高度見表4。

表3 導(dǎo)水裂縫帶高度

表4 冒落帶高度

計(jì)算結(jié)果：針對每個(gè)鉆孔分別取值，按照上述計(jì)算結(jié)果最大公式分別進(jìn)行計(jì)算，冒落帶采用公式(5)，導(dǎo)水裂縫帶采用公式(4)，計(jì)算結(jié)果見表5。冒落帶高度取各鉆孔冒落帶平均值，為10.34 m，導(dǎo)水裂縫帶高度取各鉆孔平均值44.86 m，而煤層層間距為40.08 m，故5-2煤層處于冒落帶之上、冒落帶與導(dǎo)水裂縫帶之間的上部，屬于“三帶”判別法的觀點(diǎn)二。根據(jù)前面研究與開采實(shí)踐，5-2煤層開采后，5-1煤層結(jié)構(gòu)只發(fā)生中等程度的破壞，采取一定技術(shù)措施后，可以實(shí)現(xiàn)上行開采。

表5 各鉆孔冒落帶、導(dǎo)水裂縫帶高度

1.4 圍巖平衡法

計(jì)算公式：采用圍巖平衡法判別上行開采的準(zhǔn)則是當(dāng)采場上覆巖層中有堅(jiān)硬巖層時(shí)，上煤層應(yīng)位于距下煤層最近的平衡巖層之上；當(dāng)采場上覆巖層均為軟巖層時(shí)，上煤層應(yīng)位于圍巖裂縫帶內(nèi)。上行開采必要的層間距H按公式(7)估算

H>M/(k-1)+h

(7)

式中，M—下煤層采厚，m；k—巖層的碎脹系數(shù)；h—平衡巖層厚度，取值2～3倍采高，根據(jù)煤(巖)層柱狀圖，取6 m。如果巖層力學(xué)強(qiáng)度較高，而且?guī)r層達(dá)到一定厚度，在煤層回采覆巖破斷過程中，能起到平衡巖層結(jié)構(gòu)的作用，此結(jié)構(gòu)上部的巖(煤)層根據(jù)相關(guān)理論與研究將不會(huì)發(fā)生臺(tái)階錯(cuò)動(dòng)，可以采用上行開采。

計(jì)算結(jié)果：根據(jù)公式(7)，中硬巖層的碎脹系數(shù)取平均值k=1.25，已知5-2煤層采高2.52 m，先算出H為10.08 m，平衡巖層厚度6 m，則圍巖平衡高度為16.08 m。對照“柱狀圖”可知，5-2煤頂板冒落高度之上有3種情況，第1種為硬巖，硬巖厚度6 m左右；第2種為軟巖(泥巖)；第3種為復(fù)合巖層，巖層厚度較薄。第1種符合理論計(jì)算高度，第2種和第3種則需要在冒落帶高度最近尋找具有一定厚度的堅(jiān)硬巖層，根據(jù)柱狀圖所示，平衡巖層高度為16.08～26.57 m。5-2煤與5-1煤層間距為40.08 m，大于H=26.57 m。由此可知，5-1煤層處于平衡巖層之上，5-1煤層整體連續(xù)下沉，不會(huì)發(fā)生臺(tái)階錯(cuò)動(dòng)，可以正常回采。

判別結(jié)果：根據(jù)圍巖平衡法的判別準(zhǔn)則，沙溝岔礦井下位5-2煤開采后，兩層煤之間的堅(jiān)硬粉砂巖或者細(xì)粒砂巖能起到平衡巖層的作用，該平衡層強(qiáng)度高，厚度大于采高2.52 m，平衡巖層厚度約為6 m。經(jīng)統(tǒng)計(jì)計(jì)算，5-2煤層開采后的冒落帶高度為10.34 m，平衡高度與裂縫帶關(guān)系如圖2所示。根據(jù)前面三帶分析與計(jì)算，該平衡高度位于裂縫帶范圍內(nèi)的中部，處于上層煤5-1煤層底板之下，說明5-1煤層圍巖不會(huì)發(fā)生大的變形與破壞，煤層只會(huì)發(fā)生整體下沉或局部有臺(tái)階下沉。所以，上行開采是可行的。

圖2 平衡高度與裂縫帶關(guān)系

1.5 數(shù)理統(tǒng)計(jì)法

基于國內(nèi)外利用垮落法進(jìn)行上行開采的研究，當(dāng)層間距小于或等于冒落帶高度時(shí)，上部煤層將受到中等影響，不能進(jìn)行上行開采；當(dāng)層間距小于或等于裂縫帶高度時(shí)，上部煤層受到中等程度影響，在采取相應(yīng)的安全措施條件下，可以實(shí)現(xiàn)上行開采；當(dāng)層間距大于裂縫帶最大高度時(shí)，上部煤層只受到輕微影響或無影響，可以進(jìn)行正常上行開采。在分析了多種情況下進(jìn)行的受一個(gè)煤層和多個(gè)煤層采動(dòng)影響的上行開采的104個(gè)實(shí)例及上部煤層內(nèi)的巷道受采動(dòng)影響的13個(gè)實(shí)例分析后，提出了上行開采的可行性判別的數(shù)理統(tǒng)計(jì)關(guān)系，見式(8)

(8)

式中，M1—下煤層的采高，取2.52 m；M2—上層煤采高，取0.9 m。根據(jù)上述公式，則H>12.27 m。而5-1煤與5-2煤層間距平均為40.08 m，大于12.27 m，滿足上行開采要求。

2 上行開采安全技術(shù)措施

2.1 加強(qiáng)地質(zhì)探查

及時(shí)關(guān)注礦井水文變化：5-2煤層未來掘進(jìn)施工中導(dǎo)水裂縫有可能進(jìn)一步發(fā)育，上覆4-3煤層采空區(qū)水量富集地段有可能影響該煤層安全開采，礦方在開采過程中應(yīng)及時(shí)關(guān)注礦井水文變化情況。尤其是4-3煤和5-2煤層之間的5-1煤，因其距上覆4-3煤層僅37.67 m，距下伏5-2煤層40.08 m，而4-3煤層大多地段為充水采空區(qū)，其下伏5-1煤層開采過程中形成的導(dǎo)水裂縫帶極有可能在水量較多的地段與4-3煤層導(dǎo)水裂縫相互溝通和迭加，進(jìn)而誘發(fā)與5-2煤層采空區(qū)地段導(dǎo)水裂縫的連通，導(dǎo)致5-2煤層開采的風(fēng)險(xiǎn)加大、隱患增多。

防止導(dǎo)水裂縫帶導(dǎo)通：區(qū)內(nèi)大部可采5-1號(hào)煤層，可采厚度0.70～0.95 m，平均厚度0.86 m。依據(jù)物探成果分析，在5-1號(hào)煤層可采范圍南部及東部下部的5-2煤層采空，形成了4.72 km2的蹬空范圍，蹬空范圍5-1號(hào)煤層估算資源量600.07萬t，不利于5-1煤層安全開采。從充水因素角度分析，5-1煤層導(dǎo)水裂縫帶高度為27.89～31.07 m，5-1與4-3煤層間距為32.68～40.15 m，5-1煤層導(dǎo)水裂縫帶頂距4-3煤層采空區(qū)底板均小于10 m，東部小于5 m。依據(jù)煤礦開采經(jīng)驗(yàn)，把4-3煤層底板破壞深度按10 m計(jì)算，5-1煤層導(dǎo)水裂縫帶導(dǎo)通高度為37.89～41.07 m。因此，5-1煤層導(dǎo)水裂縫帶將導(dǎo)通4-3煤層采空區(qū)底板，根據(jù)地質(zhì)報(bào)告，4-3煤層采空區(qū)多為含水采空區(qū)，導(dǎo)通后，地下水將通過導(dǎo)水裂縫帶進(jìn)入5-1煤層開采工作面，造成礦坑涌水量劇增，威脅人員、設(shè)備安全。

2.2 防治水思路與措施

防治水思路：5201盤區(qū)工作面防治水堅(jiān)持以“防”為主，“防治”結(jié)合的防治水思路。一要建立和完善水文觀測系統(tǒng)，采用物探和鉆探相結(jié)合，監(jiān)測與試驗(yàn)相結(jié)合，井上、井下立體探查等方式，重點(diǎn)探查4-3煤采空區(qū)水文地質(zhì)條件，探查研究頂板“三帶”發(fā)育規(guī)律和充水含水層富水特征；二要進(jìn)一步優(yōu)化防治水技術(shù)措施，在保障礦井安全的前提下，實(shí)現(xiàn)防治水工作、工程與礦井生產(chǎn)接續(xù)和經(jīng)濟(jì)效益的統(tǒng)一。

防治水措施：①以預(yù)防為主，杜絕惡性災(zāi)害發(fā)生。對突然涌水事故，一是要查清并排除；二是健全排水系統(tǒng)；三是要有可靠的避災(zāi)措施。②結(jié)合水文地質(zhì)條件，重點(diǎn)采空區(qū)、富水異常區(qū)分布情況，堅(jiān)持預(yù)先可控疏放至安全標(biāo)準(zhǔn)后漸進(jìn)回采的原則，實(shí)現(xiàn)“消峰平谷”，使頂板水平穩(wěn)泄出。③有計(jì)劃、有針對性地進(jìn)行采區(qū)水文地質(zhì)條件精細(xì)調(diào)查、勘探和觀測工作，分析研究地下水的賦存和運(yùn)動(dòng)規(guī)律，為防治水工作提供技術(shù)依據(jù)。

3 結(jié)語

通過比值法、三帶判別法、圍巖平衡法、數(shù)理統(tǒng)計(jì)等理論研究與計(jì)算，5-2煤層采用長壁綜采技術(shù)開采后，上煤層5-1煤層處于冒落帶之上和導(dǎo)水裂縫帶范圍內(nèi)的上部，5-1煤層會(huì)出現(xiàn)整體下沉，但不會(huì)發(fā)生足以影響5-1煤正?；夭傻呐_(tái)階下沉。分析認(rèn)為，采取一定的技術(shù)措施后，5-1煤上行開采在理論上是可行的。