煤矿上行式开采可行性分析

摘 要：在以往传统的煤矿开采中，大多数采用下行式开采的方式进行，而近些年来，煤矿开采的实践以及相关实验证明，煤矿上行式开采在特定的条件下存在很大的可行性，并且能够带来较大的经济效益。本文通过分析影响上行开采的主要因素, 探讨了上行开采机理, 说明了上行开采技术的判别方法, 从而深刻地剖析了该论题。

关键词：上行开采；可行性分析；煤矿

中图分类号：TD82 文献标识码：A

在我国传统的煤矿开采的过程中，若煤矿是多煤层，则大多数采用的是下行式开采。原因是：依据我国的传统理论，影响上行开采的主要因素是上、下煤层间的层间距以及下位煤层的采高。采用下行开采，是先开采上煤层之后再开采下煤层， 上层开采对下层的扰动较小，若采用上行开采，则先开采下煤层，则较容易引起其上覆岩层的变形、断裂或崩塌，破坏上部煤层的完整性。然而，实践及科学研究证明，在某些地质和开采技术条件下， 上行式开采有着自身的优势，尤其是在安全、开采技术以及提高经济效益方面具有很大的帮助。本文以某矿区煤矿的开采为例，对影响上行开采的主要因素做了介绍，阐述了上行式开采原理， 并对现行的上行开采可行性方法进行了分析。

1煤矿概况。

某煤矿地处丘陵地带，地面高低起伏，地层多为单斜构造与水平构造。矿井地质储量丰富，在不同的地质层其开矿的环境不同，如土质、土壤的黏性、煤层的厚度等都存在很大的差异。以其中一个含煤地层为例，共含煤12层，全区共分为两层：M8和M14煤层。煤层的特征是，M8煤层为突出煤层，其平均厚度为2.5米，煤层的平均倾斜角为15度，顶板的直接顶是粉砂岩， 厚度约为3.5米，老顶为灰岩， 厚度为4.0米。而底板的直接底为粘土岩，老底为灰岩。M14煤层的平均厚度为1.2米，煤层平均倾角为19度，顶板的直接顶为炭质页岩及粉砂岩， 厚约6.2米，老顶为硅质燧石灰岩， 厚度为5.4米。底板的直接底为粉砂岩，老底为石灰岩。两个煤层的煤间距均为45～55米之间。总体而言，该矿井的储煤量大，瓦斯含量也较高，整个矿井地质构造较单一， 水文地质条件较简单。

2上行式开采机理。

（1）采场上覆岩层裂隙场发展规律。

上行开采容易造成上覆岩层的原始应力失衡， 导致岩体应力的重新分布。 当应力超过岩层的承受范围时，必定会引起上覆岩层的变形甚至是破坏，进而产生大量的采动裂隙， 并且破坏煤层， 但在一段时间之后， 此采动裂隙会再次闭合、压实。煤层的台阶错动， 使煤层结构被破坏， 这是阻碍上行开采的根本因素。因此，采用上行式开采，控制层间岩性错动、保持岩层结构的平衡是其关键之一。

（2）围岩平衡机理。

上覆岩层体可分为垮落带、断裂带和弯曲下沉带。从围岩平衡的角度来说，可分为非平衡带、部分平衡带以及平衡带。根据走向可分为离层区、原始应力区、重新压实区、稳定区及煤壁支撑区。其中，在煤壁支撑区内的压缩变形最剧烈。在离层区， 由于垂直方向受到拉伸作用， 因此，上下离层的变形最充分；断裂带岩层在下沉的过程之中，由于岩块间的相互咬合进而平衡岩层结构。所以，在上煤层在与下煤层的平衡岩层距离较近时， 适合上行开采条件。

（3）围岩平衡高度。

下煤层顶板与平衡岩层顶板之间的高度称为围岩平衡高度。围岩平衡高度受到下位煤层采高以及煤层间岩层的性状的影响，此外，还与矿山压力等有关。也就是说，煤层间平衡结构与煤层间的岩性、下位煤层采高以及上位煤层覆岩条件都有关系。在进行上行式开采的可行性分析时， 要综合考虑。

3影响上行式开采的主要因素。

（1）采高的影响。

影响上覆岩层的破坏状况以及其高度的根源在于采高。采高越大，开采的空间也越大，变形越大，上覆岩层的结构越不平衡，必然会导致采场上覆岩层受到严重的破坏，且随着煤层开采数的增加，其稳定性也逐步下降，因此，采用上行开采难度就越大。

（2）层间距的影响。

上、下煤层的层间距越大， 上覆煤层的移动就越平缓， 变形越小， 越适合上行开采。如果层间距过小， 则会导致上覆煤层产生很大的变形，但在一定的技术改善的条件下，仍可采用上行式开采。

（3）采煤方法的影响。

采煤方法是控制覆岩破坏的高度的一个重要因素，在采煤方法中，其煤层顶板的管理方式决定了覆岩破坏的空间形式及高度。若采用垮落法来管理顶板时，常常会导致覆岩的开裂性破坏，顶板下沉量随采高的变化而变化。

（4）岩性及层间结构的影响。

冒落带及裂隙带的发育程度随着顶板岩层硬度的增大而增高，采空区空间高度也高，冒落越充分，所以，岩层主要是用断块来补充采空区，若采空区高度不足，冒落不充分，则岩层以岩层弯曲来补充采空区。当上覆岩层在下沉中形成平衡岩层结构，其上部的煤层会缓慢下沉，这非常有利于上行式开采。

4上行式开采可行性分析。

（1）比值判别法。

目前， 比值判别法是较为常用的上行开采判别法之一， 所谓的比值判别法，即：当下部开采一个煤层时， 可比值K 的大小判别，K=H／M，其中，H表示冒落带高度，M表示下煤层采高。上行开采的实践和研究证明得知: 当上、下煤层之间为坚硬岩层时， K≥6.3， 为中硬岩层时， K= 6.0，为 软弱岩层时， K≥5.5。只有当综合比值K大于或等于6.3时才适合上行式开采。此种方法简单、实用，但数据比较保守，只适宜作参考数据。

（2）“三带”判别法。

当上、下煤层的层间距比下煤层的垮落带高度小时， 上煤层的形态会受到严重的破坏，于是不可进行上行式开采；当上、下煤层间距比断裂带高度小或两者高度相当时， 上煤层的形态会受到些许破坏， 但采取一定的有效安全措施之后， 即可进行上行开采；当上、下煤层的层间距比下煤层的断裂带的高度大时， 上煤层会出现整体移动的现象， 而形态未被破坏， 因此，可进行上行式开采；当上煤层在下煤层开采引起的垮落带内时， 其上煤层的结构受到了严重的破坏， 下位煤层先采后上煤层就无法进行开采。岩层以及覆岩不同，其移动和破坏规律也不同。在缓斜煤层， 当顶板覆岩之内是坚硬、中硬、软弱以及极软弱岩层时， 垮落带的最大高度可依据分层开采时的垮落带高度进行计算；当下煤层的垮落带在上煤层范围之内时， 此时上煤层的断裂带最大高度使用该煤层的厚度来计算；而下煤层的断裂带最大高度应取按上、下煤层的最大开采厚度计算， 作为上、下煤层的断裂带的最大高度。"三带"判别法的公式是统计而来或者是由破断岩体的碎涨系数反推而来， 但实际上，在下位煤层开采之前，是无法准确测出其垮落带高度及碎涨系数的。

（3）围岩平衡分析法。

上行开采会导致上覆岩层的原始应力失衡， 进而引起上覆岩层的横向和纵向的变形甚至是破坏， 产生采动裂隙。此时，上行开采需遵守的基本准则是: 当上覆岩层中存在坚硬岩层时， 上煤层与下煤层的平衡岩层距离最近时，可正常进行上行开采；而当上覆岩层为软岩时， 上煤层位于断裂带之内，上煤层的开采在下煤层开采引起的岩层移动稳定之后进行方可。

结语

通过以上综合的分析论证， 我们可以看出，在特定的条件下，上行式开采在技术上及经济上都是合理可行的。具有节约投资、缩短工期以及提高效率的优点。此外，在上行式开采的过程中，需根据计算所得的有关参数值，只有均满足上行开采的要求才可， 为了安全起见，应该上行开采营造良好的开采条件， 上煤层开采应采取必要的安全措施， 尽可能保障开采的安全可靠。

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