煤层间垮落上行开采技术探讨

雷 佳

(中国神华神东煤炭集团锦界煤矿，陕西 神木 719319)

上行开采法是指在一个煤层群内，含有两层以上并有一定间距及开采价值的煤层，在开采手段上是先采下部煤层，然后再开采上部煤层。这种采煤方法准备时间短，出煤快;当煤层顶板含水时，对上部工作面可起到疏导水的作用;有利于排除工作面内的水;并可以有效预防煤与瓦斯突出。但是，采用上行开采法会使巷道维护条件受限，巷道维护工程量大，同时增加漏风，不利于防止煤层自燃发火。近些年，煤层上行开采技术在我国得到了广泛关注及研究实践，获得了一定的实践经验。同时，在研究实践的基础上，上行开采技术已应用于煤矿设计和矿井的复采工作当中，特别是有些老矿井，前期开采的采空区上方遗弃煤炭资源要再次开采时，不得不采用上行开采技术，这些都为推广上行开采技术奠定了坚实的实践基础。但截至目前，这些工作大多停留在实践上，还没有系统的理论做支撑，上行开采技术仍然是我国乃至世界煤矿开采技术中的一个难题。根据煤层开采后采空区的处理方式，上行开采可分为:1)煤层间垮落上行开采;2)厚煤层分层充填上行开采;3)厚煤层分层恒底式上行开采。本文针对煤层间垮落上行开采技术进行探讨。

1 煤层间垮落上行顺序采煤法

煤层间距较近，且采用垮落法处理采空区时，如果先采下部煤层，会使上部煤层随下煤层采空区上的覆岩层垮落，从而破坏上部煤层，严重时会致使上煤层无法开采。因此，当煤层间距较近时，一般不采用上行式开采，而采用下行式开采顺序。但在一些情况下，却必须先采下层煤而后采上层煤，或者说先采下层煤的经济效益较高。因此，需要知道在什么情况下可以采用上行式采煤即其先决条件，以及采用上行式采煤时应考虑的条件:

1.1 可以采用上行式采煤的先决条件

1)下部煤层为国家急需煤种，需要先行采出时，可以考虑采用上行式采煤。

2)当上、下煤层间距较大，且上部煤层开拓相对于下部煤层比较困难时，可以先采下部煤层，后采上部煤层。

3)当开采设备利用率、经济效益和矿井达产期因开采顺序不同而差别很大，且上、下煤层间距较大时，可采用上行式采煤顺序。

4)因煤质、投入产出效益比等差异，先采下部煤层能给矿井带来较大经济效益，且上部煤层不受下部开采影响，保持完整性和连续性时，可先采下部煤层。

1.2 采用上行式采煤的条件

上行式采煤法在安全和技术上具有一定的优越性，但也应考虑以下条件:

1)如果先采上部煤层会有冲击地压或煤与瓦斯突出危险，或者上部煤层含水丰富，可以先采下部煤层，作为上部煤层开采的解放层，同时，可以有利于上部煤层的疏水。

2)上部煤层的顶板为坚硬顶板，需要降低上部煤层顶板的周期来压强度。

3)采用条带采煤法开采有一定层间距的多层煤层，为使保留条带不受重复开采影响。

4)采空区上方遗留的煤炭资源，因矿井资源枯竭而复采时，只能采取上行式采煤法。

2 垮落上行顺序开采应注意的问题

目前，国内外煤炭资源开采顺序通常都采用自上而下，即下行开采。这种开采顺序有很多优点:矿山建设初期开拓工程量小，初期基建投资少，投产早等。但是，在特定的条件下研究和应用上行开采顺序，对解决采空区上回采、上部煤层含水量大、上部煤层存在潜在的煤与瓦斯突出等情况具有重要意义，现已成为煤炭开采顺序选择的新方向。

通过前述分析可以看到，影响煤层上行开采的主要因素有采煤方法、采高、层间距、岩性及层间结构和岩层稳定时间。但是，在满足上述因素条件的前提下，实行垮落上行顺序开采时，还需要注意以下几个问题:

1)上煤层开采的时间应选择在下煤层开采引起的上覆岩层移动稳定后进行。

2)避免在下煤层之上的岩层中或煤层中先开掘巷道，否则，先掘出的巷道可能受开采影响改变方向和坡度，甚至变形破坏。

3)在层间距较近的条件下，下煤层中开采应采用无煤柱开采技术，否则，残留的煤柱将影响到上煤层的正常作业。

3 工程实践

3.1 工程概况

山西某煤矿矿井采用斜井开拓，现年生产能力150万t。主采煤层为12号、9号煤层。目前，下部12号煤层可采储量日趋减少，相继转入上部9号煤层的开采，即9号煤层上行开采。9号煤层平均厚2.31 m，由于9号煤层和12号煤层间距离较近约45 m，且下部12号煤层已采空，这使得上行开采是否能顺利进行成为亟需解决的问题。

3.2 矿压观测

近距离煤层上行开采时，由于受下部煤层开采的影响，使得上部煤层开采时与单一煤层开采相比，出现许多新的矿山压力显现特点。上行开采矿压观测及测试的主要内容包括:工作面支柱载荷、活柱下缩量，顶底板相对移近量、移近速度，顶板状况宏观观测;回采巷道超前支承压力、变形、离层观测;锚杆受力监测等。而主要的观测仪器包括:ZBY－2型顶板离层指示仪、DB－50顶板下沉监测仪、KC－4型矿用测尺、KY82型顶板动态仪 、ZYT－60型圆图压力自记仪、TCP－40型单体支柱测压仪、YZ－30型锚杆液压枕、MLJ－10型锚杆拉力计、DZD－11型底板比压仪等。

矿压观测结果表明，老顶的初次来压和周期来压沿工作面方向并不是同时来压，而是呈现局部来压、迁移特征。初次来压步距平均为21.29 m，最小初次来压步距发生在机尾处约为18.9 m，最大初次来压步距发生工作面中部约为21 m。初次来压期间，顶板压力增大，支柱平均工作阻力为16.58 MPa。动压系数平均为2.31，初次来压期间顶板压力平均约为112.6 t。因此，以现有的开采方法、支护方式能够实现9号煤层的上行开采。9号煤层采用走向长壁综合机械化采煤法，全部垮落法处理采空区。

3.3 上行开采可行性分析

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的大小作为能否实现上行开采依据。即:式中:

K—采动影响倍数;

H—上下煤层之间的垂距，m;

M—下煤层采高，m。

当下部开采多个煤层时，用综合比值 KZ判别，即:

式中:

H1，H2…Hn—分别为 M2，M3…Mn+1煤层至 M1煤层的垂距，m;

M2，M3…Mn+1—分别为下部各煤层的采高，m。

上部煤层受到下部煤层采动影响时，上行开采所必需的层间距为:

式中:

M1—下煤层的采高，m;

M2—上煤层的高度，m。

根据国内外关于上行开采的实践经验，取12#煤层采高为4 m时，取采动影响倍数K=6，9号煤层上行开采所必需的层间距为24 m;取采动影响倍数K=7时所必需的层间距为28 m;取采动影响倍数K=8时所必需的层间距为32 m;根据数理统计经验公式判定所必需的层间距为24.56 m。

综合矿压观测、采动系数法和层间距判断等分析结果，9#煤层基本能够满足上行开采的条件，可以实现上行开采。

4 结束语

在传统的煤炭开采中，一般开采顺序大都按自上而下的顺序开采。但在生产实践中，由于各种原因，或受当时生产技术条件所限，或因上部煤层煤质、厚度、价格等因素在当时处于不宜开采状态，从而先行开采了下部煤层，而使上部煤层开采时下部已成为采空区。从开采顺序来看，称之为上行开采顺序。国内外在近些年对上行开采技术进行了大量的研究与实践，但因为各矿所属地质条件不同，开采方法不同，加上历史遗留问题等因素的影响，上行开采仍然是煤炭开采中的技术难题之一。本文对采用上行式采煤的先决条件和条件做了分析，指出了垮落上行顺序开采时应注意的几个问题，并结合上行开采工程分析给出了具体方法，对进行矿山上行开采具有一定的参考意义。而研究上行开采技术，在延长矿井服务年限、提高资源回收率、提高矿井生产系统的利用效率等方面具有重要的意义。