刘增平

（陕北矿业韩家湾煤炭有限公司，陕西榆林 719315）

房柱式采空区上部煤层上行开采可行性分析

刘增平

（陕北矿业韩家湾煤炭有限公司，陕西榆林 719315）

韩桥湾煤矿二盘区下部2－2煤层厚度大，开采条件优越，先行采用房柱式开采完毕，使其上部1－2煤层不能按正常顺序开采。根据两煤层赋存条件 （煤层厚度、层间距、层间岩性等），采用垮落开采的比值法、“三带”判别法、围岩平衡法以及上、下煤层开采的时间间隔，分析论证了1－2煤层上行开采的可行性，确认二盘区上行开采1－2煤层技术上是可行的，由此可解放上方呆滞煤量，延长矿井寿命，提高经济效益，具有重要现实意义。

房柱式;采空区;上行开采;比值判别法;“三带”判别法;围岩平衡判别法

韩家湾煤炭公司二盘区位于井田西南角，与村办小煤窑相邻，面积约0.93km2。该盘区内共有5层煤，分别为 1－2上，1－2，2－2，3－1，4－2煤层。

由于二盘区下部的2－2煤层厚度大，开采条件优越，在上部的1－2上，1－2煤层还未开采的情况下，首先采用房柱式对该层进行开采，且已开采完毕。由于位于下面的2－2煤层先行开采，使该层之上的2.76Mt 1－2煤滞后开采，由此形成上行开采顺序。

1 二盘区上行开采条件分析

1.1 煤层厚度

与上行开采有关的两个煤层1－2煤层、2－2煤层的基本情况如下:

1－2煤层厚度为0.20～3.02m，平均煤厚2.59 m。埋深44～85m。据二盘区内地质资料，1－2煤层厚度为2.41m，埋藏深度为44.23m。结构单一，盘区内无夹矸，厚度虽有变化，但规律性明显，属较稳定煤层。

2－2煤层厚度为0.20～5.26m，平均厚度4.5 m。埋深71～110m，据二盘区内地质资料分析，

2－2煤层厚度为4.65m，埋藏深度为75.68m。煤层结构单一，该盘区为一稳定型煤层。

1.2 上、下煤层间距

据井田地质资料，2－2煤层顶板距1－2煤层底板层间距最大为38.82m，最小为22.49m，平均为25.84m。据二盘区内地质资料分析，2－2煤层与1－2煤层的间距为24.39m。

1.3 煤层倾角

本盘区呈一单斜构造形态，煤层倾角在1～5°左右。

1.4 层间岩性

根据井田地质资料分析，2－2煤层顶板以Ⅳ类为主，煤层顶板岩性分别为泥岩、砂岩和粉砂岩为主，顶板较稳定。

2 二盘区上行开采的可行性分析

2.1 二盘区上行开采的判定标准

二盘区能否安全地进行上行开采的判定标准主要有以下两个方面:一是2－2煤层房柱式开采是否造成了1－2煤层的完整性、连续性的破坏，1－2煤层能否按照正常的方式布置工作面，并能正常地进行巷道掘进和回采;二是1－2煤层的长壁全陷法开采会不会引起2－2煤层房柱开采区内房柱和顶板的失稳，从而发生大面积的突然垮塌，造成冲击灾害发生。

2.2 二盘区上行开采的判别方法

为了能对韩家湾煤矿二盘区进行上行开采，根据二盘区上行开采条件，采用垮落法开采的“比值法”、“三带”判别法、“围岩平衡法”进行类比分析，得出上行开采的可行性结论。

（1）二盘区上行开采比值判别法 先采下部2－2煤层，后采上位1－2煤层，用采动影响系数 K进行判别，即上下煤层层间距与下煤层厚度的比值K为:

式中，K为2－2煤层、1－2煤层层间距与2－2煤层采厚的比值;H为 2－2煤层与 1－2煤层层间距，24.39m;M2为2－2煤层的采厚，3.5m。

将二盘区有关参数代入上式，可得K=7。

我国采矿界目前认可的“比值法”上行开采判别标准:当下部煤层开采时，层间岩层为坚硬岩层，采动影响倍数K＞7，上煤层可正常进行掘进和采煤;层间岩层为中硬岩层，采动影响倍数5＜K＜7，上煤层可正常进行掘进和采煤。

根据钻孔柱状和开采资料，韩家湾公司二盘区2－2煤层顶板为中硬岩层。由于2－2煤层与1－2煤层层间距与下煤层厚度的比值K为7倍，因此，按照垮落法开采的比值法的判定标准，二盘区2－2煤层的开采不会造成1－2煤层的破坏，1－2煤层上行开采是可行的。

另外，根据理论研究和现场实测，房柱式开采区煤柱，回采期间不允许顶板垮塌或部分块段顶板垮落，其垮落的高度均低于全部垮落法开采。通过对二盘区2－2煤层房柱采空区的调查发现，目前采空区顶板大部分的确未垮落，只有局部顶板有冒落现象，其冒落高度约4m。由此得出，二盘区2－2煤层房柱式开采，未造成1－2煤层的破坏，因此上行开采不仅可行，而且是安全的。

（2）二盘区上行开采“三带”判别法 二盘区2－2煤层房柱式开采，其煤层采宽5m，达不到顶板产生“三带”型破坏所要求的走向长度。所以，2－2煤层回采已数年，但顶板依然未出现大面积垮塌的现象。

对于2－2煤层采空区中某些块段因上覆岩层强度较差或个别房柱失稳、破坏，可能产生长壁全陷法开采典型的“三带”型破坏，但顶板破坏由垮落、开裂，往上逐渐变化的规律是一样的。因此，可以按照长壁全陷法上行开采的“三带”判别法对二盘区上行开采进行判定。

房柱式采空区顶板垮塌的发展过程见图1。

假设垮落的破碎岩块能全部充满采空区，则垮落矸石充满采空区所需的顶板厚度为:

图1 房柱式采空区顶板垮塌过程

式中，h为顶板厚度，m;m为煤层采厚，m;k为覆岩碎胀系数。

已知2－2煤层平均开采厚度为3.5m，层间顶板岩层主要为泥岩、中粒砂岩、粉砂岩，其碎胀系数K取1.2。将其代入公式可得出充满采空区所需直接顶厚度约为17.5m。

根据2－2煤层与1－2煤层间覆岩的综合判定为中硬岩层，按中硬岩层选用垮落带和裂缝带高度计算公式。

式中，∑M为累计采厚，m。

已知2－2煤层开采高度为3.5m，分别代入公式中，计算得出:垮落带高度Hm=7.67～12.07m，裂缝带高度Hli=32.44～43.64m，为安全起见，考虑20%的富裕系数，取Hm=9.21～14.48m，Hli=38.93～52.37m。

由此可知，2－2煤层的开采高度为3.5m，2－2煤层顶板距1－2煤层底板间距为24.39m，比充满采空区所需要岩层顶板厚度17.5m高出6.89m，比2－2煤层覆岩垮落带最大高度 14.48m高出9.91m。两种计算结果都得出1－2煤层处在垮落带之上、裂缝带范围之内6.89～9.91m，因此，1－2煤层的完整性、连续性不受影响。按照“三带”判别法，上位的1－2煤层位于2－2煤层顶板垮落带之上、裂缝带之内，采取一定技术和安全措施后是可以进行上行开采的。

（3）二盘区上行开采围岩平衡法判别 按照围岩平衡法，2－2煤层开采过程中，能够形成平衡岩层结构的平衡岩层高度，采用下式计算:

式中，Hp为围岩平衡高度，m;M为2－2煤层采高，m;hp为平衡岩层本身的厚度，m;K1为距煤壁L（周期来压步距）处的岩石碎胀系数。

已知2－2煤层平均开采厚度为3.5m，K1取1.2，根据二盘区内J41号钻孔柱状，平衡岩层本身的厚度为6.49m，代入计算得:Hp=23.99m。J41号钻孔2－2煤层与1－2煤层间距为24.39m，1－2煤层处于平衡岩层之上。由于2－2煤层与1－2煤层的层间距大于岩平衡高度Hp。因此，2－2煤层开采不影响1－2煤层的正常回采。

（4）上、下煤层开采的间隔时间 二盘区2－2煤层开采时间在2007年7月，距今已有3a多，如目前开采1－2煤层，其上行开采的间隔时间达3a以上，满足上、下煤层开采的间隔时间为3～10个月的要求。

根据上述3种判定方法，得出2－2煤层开采后对1－2煤层的完整性、连续性没有影响，因此，韩家湾二盘区可以进行上行开采。

3 上行开采对下部房柱和顶板稳定性影响分析

韩家湾公司二盘区2－2煤层房柱式开采的采宽为5m，留宽为6m，煤柱的面积比率为54%，煤柱稳定性安全系数为1.32，处于相对稳定状态，顶板和地表就能保持稳定，因此，韩家湾公司二盘区2－2煤层房柱式开采区的顶板是稳定的。

另外，根据对上行开采前2－2煤层开采区煤柱及顶板的稳定性分析计算，得出房柱所承受的矿山应力为6.39MPa，而房柱本身的强度为8.44MPa，因此，即使1－2煤层开采过程中，矿山集中应力传递到房柱上，但由于应力集中系数太小，附加应力不大，对房柱不会构成太大威胁。因此，房柱仍然是稳定的。

4 结论

经过比值判别法、“三带”判别法、围岩平衡法和类比分析法等多种方法，认为韩家湾公司二盘区上行开采1－2煤层不会受到房柱式已开采2－2煤的影响，在技术上是可行的。建议在开采过程中，同时开展矿压观测研究工作，为以后的开采提供可靠资料和研究成果。

［1］汪理全，李中颃.煤层 （群）上行开采技术 ［M］.北京:煤炭工业出版社，1995.

［2］煤炭科学研究院北京开采所.煤矿地表移动与覆岩破坏规律及其应用［M］.北京:煤炭工业出版社，1983.

［3］刘天泉.用垮落法上行开采的可能性 ［J］.煤炭学报，1981（1）.

Feasibility of Coal Mining over Gob Room-and-pillar Mining

LIU Zeng-ping
（Hanjiawan Coal Co.，Ltd，Shan'bei Mining Group，Yulin 719315，China）

2－2coal-seam of 2nd panel in Hanjiawan Colliery is thick and was mined by room-and-pillar mining method，so 1－2coalseam could not be mined with normal sequence.Feasibility of upward mining 1－2coal-seam was made by ratio method of caving roof method， “3-zone”discriminance，surrounding rock equilibrium method and time interval of mining upper and lower seam.Result showed that upward mining 1－2coal-seam is feasible.It had important realistic meaning for mining coal，prolonging mine life and improving economic profit.

room-and-pillar;gob;upper mining;ratio judging method;“3-zone”discriminance;surrounding rock stability discriminance

TD823.8

A

1006-6225（2012）02-0038-03

2011－10－11

刘增平 （1966－），男，陕西铜川人，采矿工程师，从事煤炭开采技术工作，现任韩家湾煤炭有限公司总工程师。

［责任编辑:邹正立］

矿井设计