张万昂 李爱斌 赵元 王安国
摘要：针对潞安集团李阳煤业有限公司煤层赋存的特点，利用比值判别法、“三带”判别法、围岩平衡法等方法对综采放顶煤上行开采进行可行性分析，得出了李阳煤业有限公司采用上行开采在技术上可行，安全上可靠，并能取得良好的经济效益的结论。为李阳煤业上行开采提供了可靠的理论依据。
关键词：上行开采 比值判别法 “三带”判别法 围岩平衡法等 可行性
开采煤层群时，各煤层的开采顺序有下行式和上行式两种，通常采用下行式开采顺序，因为先采上层煤后采下层煤，上层一般对下层没有什幺影响或影响甚小，但在特定的地质和开采条件下，可以采用上行式开采。如上煤层有突出危险性，采用上行式开采顺序可减轻突出危险性、上部煤为劣质或不稳定煤层，下部煤质优良，先行开采下部煤层可减少初期投资，提高企业经济效益等。但如果层间距不是很大，下层煤开采后，会对上层煤产生影响和破坏，严重时，上层煤不能开采。因此，采用上行式开采时要进行可行性分析，并采取安全技术措施。
1 矿井概况
李阳煤业为单独保留矿井，原生产能力为30万吨/年，现进行矿井机械化升级改造，改造后矿井生产能力为120万吨/年，矿区面积为17.0321平方公里，批准开采8#～15#煤层，其中8、9、14、15号煤为可采煤层。8号煤资源储量43.471Mt，9号煤资源储量24.746Mt，14号煤资源储量8.010Mt，15号煤资源储量121.065Mt，15号煤资源储量大，占全矿井资源总量的61.36%，为主采煤层。可采煤层具体参数见表一。
表一 开采煤层特征参数
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由于8号煤为结构复杂的局部可采煤层，9号煤为平均厚仅1.54m的大部分可采煤层，14号煤为赋存不稳定的局部可采煤层，15号煤全区可采，且为厚煤层，先开采15号煤可以减少初期投资，缓解投资压力，使矿井迅速达到设计生产能力，故初步设计采用上行开采的开采顺序，14、15号煤层间距较近，局部的14号煤可利用布置在15号煤层的巷道开采。即矿井前期开采14、15号煤层，后期开采8、9号煤层。
2 上行开采可行性论证
根据我国上行开采的时间和研究，影响上行开采的主要因素有层间距、采高、采煤方法、岩层岩性、煤层倾角、间隔时间等。上下煤层层间距大小是影响上行开采的最主要技术因素。煤层层间距越大，上覆岩（煤）层移动越平缓，产生的倾斜、曲率等各种变形值则越小，越有利于上行式开采。反之，如果上下组煤层间距较近，上行开采会造成上覆岩层移动剧烈，甚至冒落性破坏，导致上组煤无法开采。因此确定安全合理的上行开采层间距，是研究上行开采的首要问题。目前主要采用比值判别法、“三带”判别法和围岩平衡法等方法进行分析[1]。
2.1 比值判别法 用采动影响倍数K进行分析，即K为上下煤层之间层间距与下煤层采厚的比值。当下部开采一个煤层时： K=■
式中：H——上下煤层之间的垂距，m；M——下层煤采高，m。
根据我国上行开采的生产实践及研究证明，当比值K>7.5时，先采下部煤层可以不影响在上煤层内进行正常准备和回采。李阳煤业14号煤为局部可采煤层，14号煤与15号煤联合布置可视为同一煤层。15号煤层厚度4.65m～8.60m，平均厚度5.76m，采用综采放顶煤方法开采，工作面采煤机割煤高度2.5m，回采率为95%，放顶煤高度2.26m，回采率为80%，则实际采高为：
m=2.5×0.95+2.26×0.8=4.98m
9号煤层至15号煤层之间的距离62.69-85.19m，平均64m，则K=64/4.98=12.85，远大于7.5。
2.2 “三带”判别法 当煤层群中的下部煤层开采后，其上部岩层将受到不同程度的破坏，根据破坏程度不同，可依次分为跨落带、裂隙带和弯曲下沉带。当上下煤层之间的距离小于或等于下煤层的跨落带高度时，上层煤形态将遭到严重破坏，无法进行上行开采；当上下煤层的层间距大于跨落带高度小于或等于裂隙带高度时，上煤层形态只发生中等程度的破坏，采取一定安全措施后，可正常进行上行开采；当上下煤层的层间距大于煤层的裂隙带高度时，上层煤只发生整体移动，形态不受破坏，可正常进行上行开采。
①15号煤开采后的跨落带高度
按照单一煤层计算：H=（m-W）[（k-1）×cosα]
式中：W——冒落过程中顶板的下沉值，m，取W=0.1m；k——冒落岩石碎胀系数，取k=1.4；α——煤层倾角，15号煤平均倾角为7°。
计算可得H=（4.98-0.1）/[（1.4-1）×cos7°]=12.29m
②15号煤开采后的裂隙带高度
按照《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》推荐公式计算。
a计算公式一
H=100∑m÷（1.6∑m+3.6）+5.6
=100×5.76/（1.6×5.76+3.6）+5.6=50.6m
b计算公式二
H=20■+10=20■+10=58.2m
开采15号煤后的裂隙带高度为58.2m，9号煤层至15号煤层之间的距离在62.60～85.19m，大于裂隙带高度。
c根据《采矿工程技术手册》推荐上行开采层间距计算公式进行计算[2]：H>1.14m2+4.14+Δm
式中：H——最小层间距；m——下部煤层采厚，m；Δm——安全系数，取1.0m。
根据实际情况，代入计算可得H>33.4m。
从上述计算结果可以看出，9号煤层位于开采15号煤层的裂隙带上方，上行开采是可行的、安全的。
2.3 围岩平衡法 上行开采破坏了采场上覆岩（煤）层的原始应力平衡状态，引起上覆岩（煤）层的横向及纵向变形与破坏。上覆岩（煤）层的横向与纵向离层变形产生大量采动裂隙，破坏煤层，但随着时间的延长，采动裂隙会重新闭合压实；而纵向剪切变形则会使煤层发生台阶错动，破坏煤层整体性，给采煤带来困难。后者是影响上行开采的最大障碍。可以通过研究采场围岩力系平衡问题来控制岩层台阶错动。上下煤层间岩层的岩性及岩层的结构是控制采动影响的重要因素，当层间距较大，层间岩性较坚硬，或岩层有韧性时，上部煤层受到的破坏影响是很小的[3]。15号煤层顶板为泥岩、砂质泥岩，其上有厚度7.6m的K2石灰岩，形成了软硬岩层相间的结构，比较有利于上行开采。上行开采必要的层间距可按下式估算：H>■+h
式中M——下层煤采高，m；K1——岩石碎胀系数，K1=1.10～1.15，取1.10；h——平衡岩层本身厚度，为7.6m。计算可得H>57.4m，9号煤层至15号煤层之间的距离在62.60～85.19m，位于平衡岩层之上，证明上行开采是可行的。
2.4 回采时间间隔 根据我国上行开采经验，对于中硬及软岩层，一般上层煤受下部煤层采动剧烈影响期为4～6个月，对于坚硬岩层则更长些，可达1～2a。李阳煤业15号煤层的服务年限为36.0a，开采9号煤层时，完全避开了15号煤的采动影响期。
3 结语
通过以上几种方法的分析和计算，李阳煤业9号煤与15号煤的层间距完全满足上行开采的条件。15号煤采用综采放顶煤的方法开采，采净程度较高，只要煤柱留设合适，合理布置开采边界，就不会对上层煤开采造成困难。同时开采9号煤时，避开了开采15号煤的采动影响期。因此，李阳煤业采用上行开采是安全可行的。
参考文献：
[1]徐永圻，申通生，王庆康等.煤矿开采学[M].中国矿业大学出版社，1999.
[2]张荣立，何国纬，李铎等.采矿工程设计手册[M].煤炭工业出版社，2003.
[3]韩加红.煤层上行开采可行性分析[J].煤炭科技，2014，2：37-
38.
作者简介：张万昂（1988-），男，河南邓州人，助理采矿工程师，毕业于黑龙江科技大学，从事生产技术管理工作。
