興盛園煤礦綜采安全保障技術(shù)研究

韓新明，王 飛

（1.太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，太原 030024；2.山西焦煤霍州煤電集團(tuán) 興盛園煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 霍州 031400）

1 興盛園煤礦1-101綜采工作面概況

1-101 綜采工作面是礦井設(shè)計(jì)的首個(gè)回采工作面，采用綜合機(jī)械化開采方式。1-101工作面設(shè)計(jì)走向長(zhǎng)度780 m，傾向長(zhǎng)度220 m。1號(hào)煤層為簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)，煤層厚度為 0.35～2.35m，均厚1.54m，煤層傾角3°～10°。工作面地質(zhì)儲(chǔ)量34萬t，可采儲(chǔ)量32.3855萬t。

根據(jù)收集17號(hào)小煤窯的資料顯示，1-101工作面初采范圍內(nèi)下部2號(hào)煤層為小煤窯房式采空區(qū)，預(yù)計(jì)小煤窯采空區(qū)范圍約12.6萬m2，積水量約為8萬m3。采空區(qū)邊界離1-101工作面最小平距為140 m左右。但單從收集資料只能作為參考，不能顯示真實(shí)的采空區(qū)范圍。

根據(jù)1-101工作面掘進(jìn)巷鉆探資料顯示，判斷出1-101工作面前方距設(shè)計(jì)切巷位置110 m范圍內(nèi)2號(hào)煤已經(jīng)被采掘。1號(hào)、2號(hào)煤層間距在11～13 m之間，1號(hào)、2號(hào)煤厚度均為1.6 m左右，鉆孔出水在距底板垂深6～8 m之間，局部區(qū)域僅為3～4 m，部分鉆孔同伴隨著H2S等有害氣體涌出。

2 問題的提出

基于以上地質(zhì)及開采技術(shù)資料，認(rèn)為1-101工作面在初采期間或?qū)⒚媾R嚴(yán)重的安全問題，且其不確定性較為突出，分析如下：1）開采理論依據(jù)與參考案例少，極近距離房式采空區(qū)上綜合機(jī)械化長(zhǎng)壁開采理論及實(shí)踐極為少見[1]，缺少成熟的參考案例。2）關(guān)鍵地質(zhì)資料缺乏，2號(hào)煤層不規(guī)則房式采空區(qū)分布狀態(tài)，殘留煤柱穩(wěn)定性狀態(tài)[2]，采空區(qū)含水及瓦斯?fàn)顟B(tài)不明。3）不穩(wěn)定底板或出現(xiàn)開裂、臺(tái)階下沉等異常礦壓，根據(jù)理論分析和現(xiàn)場(chǎng)鉆孔實(shí)測(cè)，2號(hào)煤層采空區(qū)上局部區(qū)域的完整層間層厚度小于8 m，并將再次承受上部煤層劇烈采掘擾動(dòng)，或引起底板開裂、頂?shù)装迮_(tái)階下沉等異常礦壓。4）采空區(qū)瓦斯?jié)撛谖：?，下部采空區(qū)瓦斯或?qū)⒀貙娱g裂隙通道涌向回采工作面，導(dǎo)致局部瓦斯超限或風(fēng)流紊亂。5）水害防治形勢(shì)不明朗，底板采空區(qū)大量積水，且充水情況不明；首采區(qū)煤層位于奧灰水下，兩煤層均采空后，導(dǎo)水裂隙帶充分發(fā)育，或形成導(dǎo)水通道。

綜合以上分析，為確保1-101工作面初采期間安全順利推進(jìn)，極有必要弄清初采區(qū)域下部不規(guī)則房式采空區(qū)分布及其富水狀態(tài)，進(jìn)而深入、系統(tǒng)地研究極近距離煤層上行開采過程中圍巖應(yīng)力及結(jié)構(gòu)的演化特征，重點(diǎn)分析1號(hào)煤層底板巖層移動(dòng)變形規(guī)律，及其與綜合機(jī)械化采煤方法的適應(yīng)性，根據(jù)研究結(jié)論制定可能異常礦壓顯現(xiàn)的應(yīng)對(duì)措施，改善回采工藝，最終探索出一種適用于類似條件下的不規(guī)則房式采空區(qū)上部煤層綜合機(jī)械化開采的安全保障技術(shù)。

3 課題技術(shù)方案及技術(shù)路線

1）研究現(xiàn)狀調(diào)研與資料收集。系統(tǒng)調(diào)研興盛園煤礦地質(zhì)、勘探、水文及采掘資料，充分利用研究區(qū)域內(nèi)地面鉆探、工作面鉆探等各種探測(cè)數(shù)據(jù)及相關(guān)研究成果，為本項(xiàng)目的開展提供充分、可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2）理論分析。綜合分析1號(hào)煤層和2號(hào)煤層現(xiàn)有的地質(zhì)及開采技術(shù)資料，全面分析不規(guī)則房式采空區(qū)上部煤層回采過程中安全性影響因素，包括層間巖層結(jié)構(gòu)，層間巖體物理力學(xué)性質(zhì)，2號(hào)煤層采空區(qū)分布狀態(tài)，1號(hào)煤層采煤方法，1號(hào)煤層礦壓顯現(xiàn)，浸水效應(yīng)、時(shí)間效應(yīng)等[3]。

3）實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)?，F(xiàn)場(chǎng)采集1號(hào)煤層、1號(hào)煤層頂?shù)装濉?號(hào)煤層、2號(hào)煤層頂板的煤巖樣，并運(yùn)輸至煤炭科學(xué)研究總院開采設(shè)計(jì)事業(yè)部實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行物理力學(xué)參數(shù)測(cè)試，主要包括抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、彈性模量、泊松比、凝聚力、內(nèi)摩擦角、含水率、視密度等參數(shù)測(cè)試。

4）數(shù)值仿真模擬。對(duì)于影響1-101工作面安全回采最關(guān)鍵是2號(hào)煤層采空區(qū)上工作面底板巖層的穩(wěn)定性，本項(xiàng)目中采用數(shù)值模擬方法針對(duì)不同情況進(jìn)行研究。具體模擬方案為包括1號(hào)煤層未采動(dòng)及采動(dòng)時(shí)，不規(guī)則房式采空區(qū)覆巖變形、破壞特征研究。

5）采空區(qū)范圍綜合探測(cè)。為探測(cè)出2號(hào)煤層采空區(qū)大致分布范圍，項(xiàng)目綜合采用反射波法地震勘探、地震CT技術(shù)及現(xiàn)場(chǎng)底板鉆探等手段進(jìn)行研究。堅(jiān)持物探先行，鉆探驗(yàn)證，先治后采，監(jiān)測(cè)監(jiān)控，預(yù)警應(yīng)急處理的總體方針。

4 治理方案設(shè)計(jì)

針對(duì)1-101工作面底板破壞區(qū)域，采取了排水降壓和注漿加固相結(jié)合的安全保障措施。排水降壓主要用于降低水位高度，降低底板水頭壓力；注漿措施主要對(duì)探測(cè)出底板破壞區(qū)域進(jìn)行采空區(qū)覆巖加固，提高承載能力和隔水性能[4]。

該方案有兩個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)：1）首次采用地震初至波走時(shí)CT實(shí)現(xiàn)了對(duì)回采工作面底板巖層結(jié)構(gòu)破碎區(qū)進(jìn)行探測(cè)。2）基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，得出巷道軟底區(qū)域與底板采空區(qū)域反射地震波響應(yīng)特征差異：軟底區(qū)域反射波同向軸變粗且到時(shí)滯后；采空區(qū)域反射波同向軸到時(shí)基本不變，但其波形及續(xù)至波畸變更為顯著。

5 結(jié)束語

本項(xiàng)目形成的實(shí)用技術(shù)可為該地區(qū)的礦井整合與技術(shù)改造提供堅(jiān)實(shí)的技術(shù)依據(jù)和保障，消除安全隱患，提高整合礦井建設(shè)速度，為安全生產(chǎn)提供有利的技術(shù)支撐與保障。

[1]余耀峰，張仲春，楊洪濱.近距離煤層群上行開采的研究與應(yīng)用[C]//礦山建設(shè)工程新進(jìn)展——2007全國礦山建設(shè)學(xué)術(shù)會(huì)議文集.西安：西安地圖出版社，2007.

[2]張百勝.極近距離煤層開采圍巖控制理論及技術(shù)研究[D].太原：太原理工大學(xué)，2008.

[3]馮國瑞.殘采區(qū)上行開采基礎(chǔ)理論及應(yīng)用研究[D].太原：太原理工大學(xué)，2009.

[4]高維宇，李德元.近距離累煤層上行綜合機(jī)械化開采實(shí)踐[C]//第四屆全國煤炭工業(yè)生產(chǎn)一線青年技術(shù)創(chuàng)新文集.北京：煤炭工業(yè)出版社，2009.