喬立瑾

(中國煤炭科工集團(tuán)北京華宇工程有限公司，北京 100120)

煤礦開采一般采用下行開采[1]，但由于礦井資源整合或歷史問題等原因，導(dǎo)致了下部煤層先行開采，上部還留有儲(chǔ)量可觀的可采煤層[2]。為提升礦井可采儲(chǔ)量、延長服務(wù)年限和提高資源回收率，對(duì)這種蹬空煤層進(jìn)行開采設(shè)計(jì)研究有較重要的意義，這種蹬空開采在前人研究的文獻(xiàn)中又被稱為“上行開采”[3]。與有計(jì)劃的上行開采有所不同，蹬空開采由于在礦井先期采掘計(jì)劃中未進(jìn)行合理規(guī)劃布局，且對(duì)所蹬空的煤層未采取保護(hù)措施，給上部煤層開采帶來極大困難[4-7]。因此，針對(duì)蹬空開采設(shè)計(jì)的研究對(duì)指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)是十分必要的。大同鵲山煤礦始建于1968年，投產(chǎn)以來開采下組11、12、14號(hào)煤層，現(xiàn)已基本采空，為延長礦井服務(wù)年限，計(jì)劃蹬空開采上部7、8號(hào)煤層。蹬空開采時(shí)由于7、8號(hào)煤層受下部煤層采動(dòng)影響，破壞了圍巖完整性，為7、8號(hào)煤層開采造成了較大影響。因此，合理選取先期試采地段，科學(xué)確定適宜的設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力、優(yōu)化選擇巷道支護(hù)方式及回采工作面主要設(shè)備選型尤為重要。本文根據(jù)鵲山煤礦開采實(shí)際情況，結(jié)合理論分析，從工程設(shè)計(jì)角度提出了主要設(shè)計(jì)方案，以期指導(dǎo)現(xiàn)場工程順利實(shí)施，為煤炭設(shè)計(jì)工作積累些許經(jīng)驗(yàn)[8]。

1 工程概況

鵲山煤礦為生產(chǎn)礦井，生產(chǎn)能力110萬t/a，為低瓦斯礦井。目前在14號(hào)煤層中布置回采工作面。井田內(nèi)賦存3、4、7、8、11、12、14號(hào)7層可采煤層，其中：3、4號(hào)煤層已基本采空；7、8號(hào)煤層位于大同組中部，平均厚度均為1.7m，頂板為砂質(zhì)泥巖，底板為細(xì)粒砂巖、粉砂巖，層間距8.94～14.12m，平均11.2m；11、12、14號(hào)煤層位于大同組下部，平均厚度分別為3.92m、1.0m、3.22m，平均層間距分別為9.1m、18.61m，其中11號(hào)煤層上距8號(hào)煤43.75～56.76m，平均46.6m。11、12、14號(hào)煤層頂?shù)装鍨樯百|(zhì)泥巖、中砂巖。

準(zhǔn)備蹬空開采的7、8號(hào)煤層尚有近1000萬t的設(shè)計(jì)可采儲(chǔ)量，屬特低灰～中灰、特低硫～低硫分、低熱值～高熱值不粘煤，是良好的動(dòng)力用煤。7、8號(hào)煤可采范圍內(nèi)，其下部的11號(hào)煤層已全部采空、12號(hào)煤層已部分采空、14號(hào)煤層也較大范圍采空。因此，7、8號(hào)煤層除全部被11號(hào)煤層采空蹬空外，還部分或大部分被12、14號(hào)煤層采空而蹬空。11、12、14號(hào)煤層采空區(qū)范圍如圖1所示。

圖1 各煤層采空區(qū)范圍

2 蹬空開采可行性分析

蹬空開采是煤礦特殊的開采方法之一[3]，是在下部煤層開采完畢后進(jìn)行上部煤層開采，而下部煤層開采可能會(huì)對(duì)上部煤層帶來結(jié)構(gòu)性破壞，嚴(yán)重威脅礦井安全生產(chǎn)[9]。鵲山煤礦7、8號(hào)煤層蹬空開采，屬于煤層群下部多煤層采空的上行開采范疇。由于不同部位下部開采的煤層層數(shù)不同，其采空層數(shù)變化在1～3層，蹬空開采可行性理論分析十分必要。

2.1 影響因素分析

影響開采的因素較多，其主要因素有：煤層間距、層間結(jié)構(gòu)及巖性、下部煤層采高及采煤方法、時(shí)間間隔、煤層傾角等因素[6]。根據(jù)鵲山煤礦各煤層實(shí)際情況，對(duì)影響因素進(jìn)行逐一分析評(píng)價(jià)。

1)煤層間距。上、下煤層的層間距越大，下部煤層采后其上覆煤層的移動(dòng)越平緩，各種變形值越小，越有利于進(jìn)行上行開采。根據(jù)鉆孔資料，鵲山煤礦7、8號(hào)煤層間距8.94～14.12m，8、11號(hào)煤層間距為44.55～57.89m，8、12號(hào)煤層間距為58.11～68.41m，8、14號(hào)煤層間距為68.93～103.86m，蹬空開采的7、8號(hào)煤層距離下部已采的11、12、14號(hào)煤層層間距較大，對(duì)開采7、8號(hào)煤層有利。

2)層間巖性。當(dāng)直接頂?shù)暮穸却笥?/(Kp-1)倍采高時(shí)，冒落矸石充滿采空區(qū)，其上覆巖層在斷裂下沉中易于形成平衡巖層結(jié)構(gòu)，位于平衡巖層之上的煤層將緩慢下沉，有利于上行開采[10]。8、11號(hào)煤層之間多為細(xì)砂巖、粉砂巖、泥巖，巖性致密、塊狀、堅(jiān)硬。11號(hào)煤直接頂全區(qū)分布，厚度0.60～5.60m，由北向南逐漸變厚，最厚處在云410號(hào)孔，最薄處在鵲8號(hào)孔；老頂均為復(fù)雜結(jié)構(gòu)，為細(xì)砂巖、砂質(zhì)泥巖互層，細(xì)砂巖與薄煤層互層。從層間巖性看，有利于蹬空開采。

3)下部采高。采高越大，采出的空間越高，可能獲得平衡的幾率就越小，勢必導(dǎo)致采場上覆巖層的嚴(yán)重破壞[10]。下部11、12、14號(hào)煤層在1993年以前采用短壁刀柱開采為主，1993年以后以長壁綜合機(jī)械化開采為主，全部垮落法管理頂板，采高一般在3.3～4.0m。從下部煤層采高看，采用短壁刀柱開采采煤工藝對(duì)蹬空開采影響較小，長壁綜合機(jī)械化開采對(duì)蹬空開采有一定影響。

4)時(shí)間間隔。當(dāng)覆巖為堅(jiān)硬巖層時(shí)，裂隙帶發(fā)展到最高后，達(dá)到穩(wěn)定，一般歷時(shí)2～4個(gè)月；頂板為中硬巖層時(shí)，裂隙帶發(fā)育到最后，達(dá)到穩(wěn)定，一般歷時(shí)為1～3個(gè)月；當(dāng)頂板為軟巖層時(shí)，裂隙帶發(fā)展到最高而后穩(wěn)定的時(shí)間一般為1～2個(gè)月。11、12、14號(hào)煤層采空區(qū)大部分2005年前形成，尤其是F2斷層以南區(qū)域均為2000年以前所開采，至今超過20年。對(duì)蹬空開采十分有利。

5)煤層傾角。緩傾斜煤層，采場采后采空區(qū)頂板巖層冒落后就地堆積。在采空區(qū)邊界，由于煤柱支撐，剪切應(yīng)力大，因此，冒落帶和裂隙帶發(fā)育較中部要高[11]。鵲山煤礦各煤層為近水平煤層，有利于蹬空開采。

綜合分析，雖然7、8號(hào)煤層下部的11、12、14號(hào)煤層部分或全部采空，但從開采的實(shí)際情況看，對(duì)蹬空開采7、8號(hào)煤層還是有利的。

2.2 理論判別

由于蹬空開采與上行開采有著極大的相似性，所以可以依照上行開采的理論成果進(jìn)行蹬空開采可行性分析[12]。目前，上行可采理論判別主要有比值判別法、“三帶”判別法和圍巖平衡法等方法。根據(jù)鵲山煤礦7、8號(hào)煤蹬空的實(shí)際情況，采用上述方法對(duì)蹬空開采的可行性進(jìn)行理論判別。

2.2.1 比值判別法

當(dāng)下部多煤層采空時(shí)，用綜合比值Kz的大小進(jìn)行判別，采用式(1)計(jì)算：

式中，H1，H2，…，Hn分別為M2，M3，…，Mn+1煤層至M1煤層的垂距，m；M2，M3，…，Mn+1分別為下部各煤層的采高，m。

經(jīng)國內(nèi)大量上行開采生產(chǎn)實(shí)踐與研究表明：當(dāng)比值K>7.5時(shí)，先采下部煤層不影響在上煤層正常的采掘活動(dòng)，綜合比值Kz>6.3時(shí)，本煤層以下的n個(gè)煤層可正常進(jìn)行上行式開采[13]。根據(jù)鵲山煤礦7、8號(hào)煤層可采范圍內(nèi)鉆孔資料，采用公式(1)計(jì)算各個(gè)鉆孔8號(hào)煤的Kz值，如圖2所示，由圖2可以看出，各鉆孔計(jì)算的Kz值均大于6.3，7、8號(hào)煤層是可以蹬空開采的。

圖2 8號(hào)煤Kz等值線

2.2.2 “三帶”判別法

煤層開采后，煤層上部巖層形成冒落帶、裂隙帶及彎曲下沉帶。蹬空開采時(shí)，當(dāng)上部煤層處于下部煤層開采形成的冒落帶范圍內(nèi)，由于已完全垮落而無法回采；當(dāng)上部煤層處于下部煤層開采形成的裂隙帶高位及彎曲下沉帶，則上部煤層可以正?；夭?。根據(jù)鵲山煤礦井田內(nèi)鉆孔資料，選取了9個(gè)鉆孔，見表1，采用《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》關(guān)于導(dǎo)水裂隙帶計(jì)算公式，分別計(jì)算下部煤層開采后產(chǎn)生的導(dǎo)水裂隙帶。

為鵲山煤礦7、8號(hào)煤層下部存在多個(gè)煤層采空區(qū)，所以導(dǎo)水裂隙帶的計(jì)算應(yīng)考慮多煤層綜合采厚，即：當(dāng)開采下方層煤后，如果下煤層冒落帶進(jìn)入上煤層范圍內(nèi)，則上方煤層的導(dǎo)水裂縫帶最大高度計(jì)算方法采用該層煤的開采厚度計(jì)算即可，而下煤層導(dǎo)水裂縫帶要考慮兩層煤的綜合開采厚度，計(jì)算出結(jié)果后取其中的大值作為兩煤層的導(dǎo)水裂縫帶最大高度。綜合開采厚度按式(2)計(jì)算[14]：

M綜=M2+(M1-h1-2/y2)

(2)

式中，M1為上方煤層采厚，m；M2為下方煤層采厚，m；h1-2為兩煤層間的垂距，m；y2為下方煤層的冒落高度與開采厚度之比。

根據(jù)表1資料，計(jì)算導(dǎo)水裂隙帶時(shí)鵲9、鵲10及云442鉆孔需考慮綜合開采厚度。下部煤層開采后形成的導(dǎo)水裂隙帶為66.1～87.8m。各煤層與導(dǎo)水裂隙帶關(guān)系如圖3所示。由圖3可以看出，下部煤層開采后所產(chǎn)生的導(dǎo)水裂隙帶已進(jìn)入7、8號(hào)煤層，尤其是在臺(tái)15、云442鉆孔附近。但7、8號(hào)煤層位于下部煤層開采后導(dǎo)水裂隙帶的高位，對(duì)蹬空開采7、8號(hào)煤層影響不大。

表1 各鉆孔下部煤層采高及層間距匯總

圖3 各煤層與導(dǎo)水裂隙帶關(guān)系

2.2.3 圍巖平衡法

根據(jù)錢鳴高院士的關(guān)鍵層理論[7]，采動(dòng)巖體的骨架是斷裂了的堅(jiān)硬巖層，特別是關(guān)鍵層，其上部的軟弱巖層可視為直接作用于骨架上的載荷，隨工作面的推進(jìn)，采空區(qū)上方堅(jiān)硬巖層在裂隙帶內(nèi)將斷裂成排列整齊的巖塊，巖塊間將受水平推力作用而形成鉸接關(guān)系(鉸接梁作用)，繼續(xù)支撐上覆巖層[15]?？梢婈P(guān)鍵層在斷裂前后都會(huì)對(duì)巖層起平衡穩(wěn)定作用，因此當(dāng)采場上覆巖層中有堅(jiān)硬巖層時(shí)，上煤層位于下煤層最近的平衡巖層(關(guān)鍵層)之上，即可正常進(jìn)行上行式開采。圍巖平衡高度即為下煤層頂板至平衡巖層頂板高度[5]，采用式(3)計(jì)算：

Hp=M/(K1-1)+hp

(3)

式中，M為下部煤層采高，m；K1為直接頂巖石碎脹系數(shù)，一般K1=1.05～1.50；hp為平衡巖層厚度，m；Hp為圍巖平衡高度，m。

根據(jù)鵲山煤礦鉆孔資料計(jì)算圍巖平衡高度，見表2。由表2可以看出，下部各煤層采后圍巖平衡高度為25.43～57.04m，小于8、14號(hào)煤層間距。因此判斷7、8號(hào)煤層可以正?；夭?。

表2 下部11、12、14號(hào)煤層采后圍巖平衡高度計(jì)算匯總 m

綜合三種方法判別，鵲山煤礦7、8號(hào)煤層在下部11、12、14號(hào)煤層全部或部分采空的情況下是可以正?；夭傻?。

3 蹬空開采參數(shù)設(shè)計(jì)

根據(jù)本文第二部分的理論判別及分析，鵲山煤礦7、8號(hào)煤層蹬空開采可行。從工程設(shè)計(jì)角度，對(duì)7、8號(hào)煤層的設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力、先期試采地段、回采工作面主要設(shè)備、巷道掘進(jìn)及支護(hù)等方面提出設(shè)計(jì)方案。

3.1 設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力確定

鵲山煤礦現(xiàn)開采14號(hào)煤層，總生產(chǎn)能力為110萬t/a。在維持總生產(chǎn)能力的基礎(chǔ)上，根據(jù)7、8號(hào)煤層賦存條件、煤層厚度及下部煤層開采情況等因素，確定7、8號(hào)煤層生產(chǎn)能力為30萬t/a，工作制度為“四六”制。生產(chǎn)能力確定依據(jù)如下：

1)7、8號(hào)煤層為蹬空開采，屬特殊開采方式范疇，生產(chǎn)能力不宜過大。

2)7、8號(hào)煤層厚度為1.7m左右，煤層厚度薄，從開采角度分析生產(chǎn)能力宜為30萬t/a。

3)從7、8號(hào)煤層可采范圍分析，連續(xù)推進(jìn)長度為600～1500m，生產(chǎn)能力為30萬t/a時(shí)年推進(jìn)度約為1100m左右，年推進(jìn)度與連續(xù)推進(jìn)長度較為適宜。

3.2 先期試采地段選取

根據(jù)7、8號(hào)煤層可采范圍，結(jié)合鵲山煤礦現(xiàn)有井巷工程實(shí)際情況，將先期試采地段選定為井田西部邊界與F2斷層之間區(qū)域，先期試采地段位置如圖4所示。該區(qū)域附近布置有礦井現(xiàn)有的副斜井、回風(fēng)斜井及7號(hào)煤部分現(xiàn)有巷道，只需少量井巷工程便可形成輔助運(yùn)輸系統(tǒng)和通風(fēng)系統(tǒng)。煤流系統(tǒng)可利用現(xiàn)有的8—11號(hào)煤煤倉運(yùn)至現(xiàn)有的主運(yùn)輸系統(tǒng)運(yùn)至地面?？纱蟠鬁p少初期井巷工程；區(qū)域下部11、14號(hào)煤層均為1986—1992年期間開采，時(shí)間間隔長，且12號(hào)煤層未采。十分有利于7、8號(hào)煤層蹬空開采。

圖4 先期試采地段位置

3.3 工作面主要設(shè)備選型

1)工作面主要參數(shù)。確定綜采工作面長度應(yīng)充分考慮地質(zhì)條件與工作面技術(shù)裝備水平。工作面長度的增加，有利于減少輔助作業(yè)時(shí)間，降低巷道掘進(jìn)率；有利于提高開機(jī)率、盤區(qū)回采率、工作面單產(chǎn)，從而提高工作面效率。鵲山煤礦正常開采14號(hào)煤層時(shí)工作面長度為150m，考慮到該礦井首次進(jìn)行蹬空開采試采，根據(jù)鵲山礦井7、8煤層賦存條件綜合確定試采工作面長度為120m；根據(jù)7、8號(hào)煤層厚度及煤層頂?shù)装鍡l件，綜合確定回采工作面采高為1.7m。

2)主要設(shè)備。根據(jù)煤層賦存條件和頂?shù)装鍡l件，回采工作面主要設(shè)備初選MG2×150/700-WD型雙滾筒采煤機(jī)，功率700kW；SGZ764/400型可彎曲刮板輸送機(jī)，功率400kW；ZY5100/10/20型液壓支架，工作阻力5100kN。

3.4 巷道支護(hù)方式選擇

為了保障礦井正常生產(chǎn)接替，配備兩個(gè)綜掘工作面。井下巷道采用矩形斷面，凈寬4.5m，凈高2.6m。采用錨網(wǎng)支護(hù)，錨桿間排距800mm×800mm，?6mm鋼筋網(wǎng)(網(wǎng)孔100mm×100mm)；鋼帶錨索補(bǔ)強(qiáng)，錨索間排距1600mm×2000m。錨桿采用左旋無縱筋螺紋鋼，長度2200mm，直徑20mm；錨索采用直徑為17.8mm的七芯鋼絞線，長度7000mm。

4 工程應(yīng)用

鵲山煤礦根據(jù)設(shè)計(jì)所確定的主要原則和參數(shù)開展礦井建設(shè)工作，礦井于2020年3月進(jìn)入聯(lián)合試運(yùn)轉(zhuǎn)。本文從巷道圍巖完整性、巷道斷面及支護(hù)方式、回采工作面主要設(shè)備及參數(shù)等方面進(jìn)行工程應(yīng)用效果分析。

4.1 圍巖完整性分析

在設(shè)計(jì)選定的先期試采地段內(nèi)，鵲山煤礦7、8號(hào)煤層蹬空開采項(xiàng)目于2017年正式開工建設(shè)。掘進(jìn)期間，為確保蹬空開采的安全性，在巷道底板每隔50m垂直向下布置注水鉆孔，長度20m，監(jiān)測分析下部巖層裂隙發(fā)育情況。根據(jù)注水實(shí)際情況，注水速度基本在0.01～0.04m3/min之間，如圖5所示，未出現(xiàn)較大幅度的變化，表明7、8號(hào)煤層之間圍巖較為完整，裂隙不發(fā)育。

圖5 注水速度變化

通過注水鉆孔監(jiān)測驗(yàn)證，設(shè)計(jì)所確定先期試采采地段較為合理，在礦井建設(shè)過程中，巷道圍巖完整性較好，裂隙不發(fā)育，有利于井巷工程施工。

4.2 井下巷道斷面形式及支護(hù)方式

井下巷道為矩形斷面，凈寬4.5m，凈高2.6m，凈斷面11.7m2。采用錨網(wǎng)索支護(hù)方式，支護(hù)方式與設(shè)計(jì)確定的方式相一致，支護(hù)效果良好，如圖6所示。

圖6 井下巷道斷面及支護(hù)(mm)

現(xiàn)場應(yīng)用表明，設(shè)計(jì)所確定的巷道斷面及支護(hù)形式既保證了巷道支護(hù)安全，又滿足礦井實(shí)際使用需求，符合規(guī)程、規(guī)范的要求。

4.3 回采工作面設(shè)備及參數(shù)

首個(gè)試采工作面長度120m，工作面實(shí)際配備了MG250/600-AWD型雙滾筒采煤機(jī)，功率600kW；SGZ764/400型可彎曲刮板輸送機(jī)，功率400kW；ZY6800/12/25D型液壓支架，工作阻力6800kN。

鵲山煤礦7、8號(hào)煤層蹬空開采項(xiàng)目從2020年3月10日—9月10日進(jìn)入聯(lián)合試運(yùn)轉(zhuǎn)期。井下采用“三六”制工作制度(取消夜班)，即每日分三個(gè)班工作，每個(gè)班計(jì)6h，二個(gè)班采煤一個(gè)班檢修。每班進(jìn)2刀，日進(jìn)4刀，日推進(jìn)度2.4m，日產(chǎn)量650t。生產(chǎn)期間，工作面每5個(gè)液壓支架安裝頂板壓力在線觀測儀器，通過監(jiān)測，工作面頂板壓力在24～31MPa之間，變化幅度不大。

設(shè)計(jì)所確定的工作面長度適中，工作面采煤機(jī)、可彎曲刮板輸送機(jī)選型合理；礦方根據(jù)揭露煤層實(shí)際情況，適當(dāng)增加了工作面支護(hù)設(shè)備的支撐高度，加大了液壓支架的工作阻力，有利于礦井正?；夭珊晚敯骞芾?，提高了回采過程中安全保障能力；確定的7、8號(hào)煤層生產(chǎn)能力較為適宜。聯(lián)合試運(yùn)轉(zhuǎn)階段，鵲山煤礦按照“三六”工作制，產(chǎn)量為650t/d。如果按照“四六”制進(jìn)行生產(chǎn)安排，7、8號(hào)煤層生產(chǎn)能力可達(dá)32萬t/a。

5 結(jié) 語

根據(jù)鵲山煤礦7、8號(hào)煤層蹬空實(shí)際情況，利用7、8號(hào)煤可采范圍內(nèi)鉆孔資料，采用比值判別法、“三帶”判別法和圍巖平衡法進(jìn)行理論分析，判別得出7、8號(hào)煤層進(jìn)行蹬空開采是可行的。根據(jù)理論分析結(jié)果，從工程設(shè)計(jì)角度，合理確定了先期試采地段位于井田西部邊界與F2斷層之間區(qū)域；7、8號(hào)煤層生產(chǎn)能力30萬t/a為宜；提出了井下巷道采用矩形斷面、錨網(wǎng)索支護(hù)形式；對(duì)回采工作面主要設(shè)備進(jìn)行了合理選型。通過鵲山煤礦聯(lián)合試運(yùn)轉(zhuǎn)證明，設(shè)計(jì)所確定主要技術(shù)原則和設(shè)備選型科學(xué)合理，延長了礦井服務(wù)年限，取得了良好的效益，為同類型礦井的工程設(shè)計(jì)提供了借鑒經(jīng)驗(yàn)。