近距离煤层孤岛区域上行开采技术

［摘要］在生产实践中，由于地质条件的复杂性和不可预知性，造成采空区上方遗弃了有可采价值的煤炭储量，通过理论分析、矿压观测等方法，研究上行开采的机理，掌握采动压力的变化规律，预计上行开采在安全控制方面的效果，合理确定上下煤层采动影响的时空关系，采取相应措施，成功回采特殊条件下的煤炭资源，为今后类似条件下的开采技术提供依据。

［关键词］孤岛区域；上行开采；研究及应用

1 问题的提出

2002年以前，新矿集团翟镇煤矿全部采用下行开采方式。随着矿井生产由条件相对较好的主采区向条件较差的边角采区进行，地质条件的变化和采区布置方式、下行开采顺序和生产能力之间的矛盾逐步显现出来。翟镇煤矿五采区在矿井最西部，为减少生产采区个数，降低巷道维修量，减少通风运输环节，需要尽快将其结束，因此必须充分利用现有巷道和系统将资源最大限度地回收，需要在原有地质资料的基础上积极探明该采区的曾一度遗弃的可采储量，复采采空区上部遗留的煤炭资源，延长矿井的服务年限。

采空区上部孤岛区域煤层赋存分析翟镇煤矿5204工作面一度被认为大面积风氧化而失去开采价值，通过巷探，重新圈定了该区域的风氧化范围，认为有很大的可采价值。但是当发现该情况时，下部的5405面已经正在生产，而且该区域以南与F10断层为界的5203面已早于2000年开采完毕，使该工作面即处于下方5405面采空区上部，又与5203面采空区同层相邻。重新核定的可采储量为12.9万t，因此积极探讨在该区域特殊条伯下的开采技术十分必要。

2 近距离煤层孤岛区域上行开采的可行性分析

2.1 理论计算分析

上下煤层层间距大小是影响上行开采的主要技术因素之一，因此，计算上行开采的合理层间距是上行开采的首要问题。确定合理层间距的计算方法主要有以下几种。

2.1.1 比值(K)判别法 

K=H／M 

式中：H为上下煤层之间的垂距，二四层煤之间的层间距为H=20～22m；M为下部煤层的采高，即四层煤采高，M=2.8m；

则K=20～22／2.8=7.142～7.857 

根据上行开采的生产实践研究证明，当比值K大于7.5时，一般先开采下部煤层不会影响在上部煤层中进行正常的回采与准备，可正常的进行上行开采。而计算的结果位于7.5左右，由于5405工作面为高档普采面，使用2.8m以下单体支柱，采高均小于2.8m，具有一定的保险系数，因此，从这种计算方法的结果来看，上行开采是可行的。

2.1.2 “三带”判别法

当煤层群中的下部煤层开采后，其上部的岩层将受到不同程度的破坏，根据破坏程度不同，可依次分为冒落带、裂隙带和弯曲带。在冒落带中，煤岩层遭受严重破坏，无法进行开采。在裂隙带中，煤岩层发生中等程度的破坏，采取一定的措施，可以进行开采。

在弯曲带中，上部煤层发生整体移动，煤岩层的结构基本不遭受破坏，可以进行开采。对于本区域四层煤开采后，其上部的三带高度分别计算如下(因四层煤顶板属于典型的复合顶板，应按照上赋岩层较软的情况进行考虑) 

①冒落带高度Hm 

Hm=(100∑M／(6.2∑M+32))±1.5

上覆岩层较软时计算公式；

根据实际情况代入运算得：

Hm=(100×2.8／(6.2×2.8+32)±1.5=7.2m(取大值)；

②裂隙带高度H1i 

计算公式如下： 

H1i=10√∑M+5—上覆岩层较软时计算公式；

根据实际情况代入运算得：

H1i=10√2.8+5=21.7 

从上述的计算结果可以看出，在四层煤开采之后，二层煤正位于裂隙带中，即煤层会发生中等程度的破坏，必须采取一定的措施后，方可进行开采。

2.1.3 围岩平衡法

上行开采破坏上覆岩层的原始应力平衡状态，必然引起上覆岩层的横向和纵向破坏，上覆岩层的横向及纵向变形产生大量采动裂隙，破坏煤层结构，但随着时间延长，采动裂隙重新闭合压实，而纵向的剪切变形则表现为煤层发生台阶错动，破坏煤层结构。后者是影响上行开采的关键因素，控制岩层台阶错动，实际上就是采场围岩力学平衡问题。回采过程中，能够不发生台阶错动平衡岩层结构的岩层称为平衡岩层，从煤层顶板到平衡岩层顶板的高度称为围岩平衡高度，而煤层群上行开采的基本准则就是：当采场上覆岩层中有中硬岩层时，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时，上煤层应位于裂隙带内；上煤层的开采应在下煤层开采引起的岩层移动稳定之后进行。

上行开采必要的层间距估算公式为：

H1=M／(K-1)+h 

式中：M为煤厚；K为碎涨系数，取1.3～1.35；H为平衡岩层本身厚度，根据煤层赋存情况，估算取6m；

则：H1=(2.8／(1.30～1.35-1))+6=15.3～14m；

本地点二、四层之间的实际间距为20～22m，表明在该区域进行上行开采是可行的。

2.2 采动影响的时空关系

根据采场上覆岩层移动盆地的特点，下层煤开采后，会在上层煤中产生一定的移动区域。在倾斜方向上，下部边界影响区斜长为：13.28m；倾斜方向上，上部边界影响区斜长1s为：23.41m；走向边界影响区范围是：25.21m。

根据上述计算结果，在5405工作面回采后，5204轨道巷距5405工作面距离在3～55m之间，大于23.41m，受采动影响较小；但是5204运输巷09#导线点与07#导线点之间80m左右的区间内与5405采空区边界较近，可能会有较大的影响；由于5204切眼与原5405切眼距离为20m，在走向边界影响区域内，因此工作面的初采初放应该是顶板管理的重中之重。同时，开采过程中应充分考虑5203采空区以及来自F10断层构造带的应力影响，开采必然会破坏5204运输巷部分区段的原有支护结构和原有的煤层结构，从而影响二层煤的生产准备工作。

2.3 物理模拟与计算机模拟

采用相类似条件下的物理模拟和计算机模拟，确定下部工作面开采后裂隙分布情况，确定煤2处于煤4开采的弱裂隙范围内，煤2整体性没有破坏，并且在煤4开采一段时间后，煤2的开采仍能呈现出完整的初垮、初压与周期来压顶板运动过程，控顶区内能保持复合顶板的维护，因此从模拟实验结果可以证明，上行开采是可行的。

3 近距离煤层孤岛区域上行开采施工措施

从上述分析来看，在四层煤开采之后，二层煤位于四层顶板的裂隙带内，原有的围岩结构和应力状态会有所改变，必须采取一定的措施才能够进行开采。总体上说，针对5204面的状况，采空区上方孤岛区域的开采是可行的，但是必须采取以下措施。

3.1 加强支护

5204面顺槽在施工过程中为保证复合顶板条件下巷道掘进安全，需充分考虑采动压力和采空区压力的传递影响，必须在原有支护设计的基础上加强支护，提高巷道的整体承载能力。针对复合顶板状况，顺槽采用超前锚杆+锚带网(M型钢带)+锚索联合支护。在顶板相对破碎时，放炮后顶板暴露面积较大，往往缺乏充分支设锚杆时间，打锚杆眼又增加对围岩的震动，容易造成冒落，即不安全又影响了施工速度。采用超前锚杆支护可在一定程度上解决该问题。在破碎顶板或直接顶为弱层理结构的条件下，采用锚杆支护技术提前对即将暴露的顶板进行支护，尽量使围岩在开挖后原岩应力被破坏的情况下保持完整，避免围岩产生较大的形变，保证巷道顶板在末离层前得到有效支护。

3.2 加强矿压观测

5204面回采过程中，应严格按照预定的矿压观测方案进行观测，一方面发现受力异常时及时增加支护强度，保证回采期间的安全生产；另一方面，作好数据的整理工作，及时分析验证，将工作面实际受力变化与预测资料进行对比，为类似条件下开采积累资料和经验，并不断完善。

3.3 确定开采合理的时空关系

施工过程中必须充分考虑5405面回采与5204面投产之间的时空关系。5204面的开采应在5405面开采引起的岩层移动稳定之后进行。这一点应结合类似顶板条件的三采区四层煤工作面的矿压观测情况来分析，通过对多个四层面顶板的下沉稳定分析，5204面的回采工作应该在5405面回采结束后3个月以后进行。

3.4 开采时特殊地点的加固

对工作面出现底板采动裂隙发育处及顶板发生台阶下沉时要采取增加戗棚及木垛的加固方式，保持工作面支护的稳定性，避免工作面局部或整体失稳。

3.5 特殊地点打设钻孔掌握裂隙带的状况

在5204面放面及生产过程中通过打底板控制岩孔等手段，研究采场上覆岩层的移动和变形规律，受下部采动影响的上覆岩(煤)层裂隙的变化规律。

4 近距离煤层孤岛区域上行开采的意义 

(1)试验研究特殊条件下上方煤层开采技术，最大限度地回收煤炭资源，实现了安全生产，共采出原煤12.9万t，创出效益千万余元。 

(2)试验特殊条件下上行开采，降低二层煤采动应力水平，有效地解决二层煤复合顶板巷道支护与工作面顶板管理方面多年未能有效解决的难题，大幅度提高二层煤开采的技术效果和经济效益。

(3)研究和试验特殊条件下上行开采，有利于高地压底板巷道跨采维护，实现二层煤煤炭资源的复采，提高矿井投资效益和资源回采率。