西河煤業(yè)復(fù)采工作面過采空區(qū)技術(shù)方案分析

郭晉鵬

(1.山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)晉城有限公司，山西 晉城 048026； 2.山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究有限公司，山西 太原 030006)

引 言

礦井整合之前，被整合礦井的采煤方法多為房柱式開采，回采高度在2 m～4 m，資源回收率不到30%，其采空區(qū)內(nèi)仍留有大量的頂?shù)酌汉兔褐鵞1-3]。整合重組后礦井的儲(chǔ)量較少，或開采下組煤，經(jīng)濟(jì)效益較差[4-5]。西河煤業(yè)3#煤層已面臨資源枯竭，對(duì)3#煤層進(jìn)行復(fù)采，提高煤炭資源回收率，才可能延長礦井服務(wù)年限，同時(shí)緩解采掘接替緊張的矛盾。本文以西河煤業(yè)3#復(fù)采煤層作為研究對(duì)象，對(duì)3#煤層復(fù)采區(qū)域內(nèi)的采空區(qū)、小窯破壞區(qū)、采煤方法和采空區(qū)積水情況進(jìn)行分析，提出西河煤業(yè)復(fù)采工作面過采空區(qū)的技術(shù)方案。該研究可以為礦井的復(fù)采工作面規(guī)劃提供依據(jù)，提高煤炭生產(chǎn)的安全性和回收率。

1 復(fù)采煤層情況分析

3#煤層井田范圍內(nèi)東北部及西北部已局部采空，中南部分布大面積小窯破壞區(qū)，為井田現(xiàn)采煤層。3#煤層井田中南部小窯破壞區(qū)內(nèi)分布有大面積的采空區(qū)、小窯破壞區(qū)、古空區(qū)，均為以往小窯2003年以前開采，當(dāng)時(shí)開采期間采煤方法多為房柱式、刀柱式、掘進(jìn)巷道等，以掘代采并未回采。復(fù)采區(qū)域的煤層賦存情況大體可分為4種：1) 未被開采的實(shí)體煤層和煤柱；2) 底部舊采遺留巷道，巷道之上為未冒落的頂煤；3) 舊采遺留巷道發(fā)生垮落，直接頂未發(fā)生垮落，空巷被垮落的頂煤充填；4) 舊采時(shí)采用巷采方式，沿煤中部回采，頂板未垮落，頂煤冒落未填滿空區(qū)，形成空區(qū)，留有底煤。

本次復(fù)采范圍為井田中南部小窯破壞區(qū)。該區(qū)域內(nèi)煤層實(shí)際厚度0 m～7.50 m，其中小窯破壞區(qū)范圍內(nèi)西北部煤層破壞較為嚴(yán)重，存在全采空；部分采空煤層殘余厚度1.00 m～2.50 m，采空厚度1.15 m～4.05 m，殘余煤層厚度占原煤厚度平均為30%。破壞區(qū)范圍內(nèi)西北部殘存煤層厚度較大，南部殘存厚度較小。

采空區(qū)積水情況，井田內(nèi)3#煤層存有大面積的采(古)空區(qū)，在采(古)空區(qū)內(nèi)局部地勢(shì)低凹處存在一定量的積水，這些積水在煤層頂板巖石冒落導(dǎo)水裂隙帶或地質(zhì)構(gòu)造等不同溝通渠道的作用下，可對(duì)煤層井巷產(chǎn)生不同程度的充水。經(jīng)估算，井田內(nèi)3#煤層采(古)空積水區(qū)有21處，積水區(qū)面積166 902 m2，積水量85 943 m3。

復(fù)采區(qū)沿3#煤層底板布置采區(qū)運(yùn)輸巷和回風(fēng)巷，首采工作面為3301工作面。采煤方法為綜放開采，在煤層厚度大于3.0 m的區(qū)域采用放煤，在煤層厚度小于3.0 m的區(qū)域禁止放煤。3301工作面運(yùn)輸順槽沿三采區(qū)西北部井田邊界布置，留20 m煤柱，沿3#煤層底板布置，與三采區(qū)運(yùn)輸巷連接，形成工作面運(yùn)煤系統(tǒng)，擔(dān)負(fù)工作面的主運(yùn)輸任務(wù)，為工作面的進(jìn)風(fēng)巷兼作工作面安全出口。3301工作面回風(fēng)順槽沿3#煤層底板布置，與三采區(qū)回風(fēng)巷連接，形成回風(fēng)系統(tǒng)，同時(shí)通過聯(lián)絡(luò)巷與三采區(qū)運(yùn)輸巷連接，擔(dān)負(fù)工作面的輔助運(yùn)輸任務(wù)，為工作面的回風(fēng)巷兼作工作面安全出口。運(yùn)輸順槽和回風(fēng)順槽均為矩形斷面，巷道凈寬4.0 m，凈高3.0 m，凈斷面積為12.00 m2。3301開切眼垂直于工作面順槽，與西部井田邊界留設(shè)20 m保護(hù)煤柱，沿3號(hào)煤層底板布置。切眼沿煤層底板掘進(jìn)，采用矩形斷面，巷道凈寬6.5 m，凈高2.2 m，凈斷面積為14.3 m2。

2 掘進(jìn)工作面過采空區(qū)技術(shù)方案分析

掘進(jìn)工作面遇采空區(qū)時(shí)，遇到的主要問題為采空區(qū)積水、瓦斯積聚、有害氣體、頂板冒落等，主要從水害防治和頂板支護(hù)2個(gè)方面提出技術(shù)方案。

2.1 水害防治

采用瞬變電磁法對(duì)積水情況進(jìn)行超前探測(cè)，探測(cè)儀器為YCS40礦用本安型瞬變電磁儀。1) 測(cè)線、測(cè)點(diǎn)布置。測(cè)線在掘進(jìn)工作面迎頭水平由左向右和垂直2個(gè)方向布置，布置2條線，水平方向掃描左右各80°范圍，每10°布置1個(gè)測(cè)點(diǎn)，共19個(gè)測(cè)點(diǎn)，垂直方向相似，掃描上下各80°范圍，每10°布置1個(gè)測(cè)點(diǎn)，共19個(gè)測(cè)點(diǎn)。2) 頂?shù)装逄綔y(cè)。從物探起點(diǎn)由上向下進(jìn)行探測(cè)，起始角度為0°，角度差10°共探測(cè)19個(gè)測(cè)點(diǎn)。3) 左右?guī)吞綔y(cè)。從物探起點(diǎn)由左向右進(jìn)行探測(cè)，起始角度為0°，角度差10°共探測(cè)19個(gè)測(cè)點(diǎn)。4) 超前距和幫距。每掘進(jìn)70 m進(jìn)行一次物探；巷道超前距和幫距控制在20 m范圍內(nèi)。

采用探水鉆機(jī)進(jìn)行鉆探，配合Ф75 mm硬質(zhì)合金鉆頭，1.5 m中空光圓鉆桿，水力排粉，鉆孔采用無芯鉆進(jìn)。鉆孔布置設(shè)計(jì)參數(shù)，每次鉆探共設(shè)計(jì)4個(gè)鉆孔，每組鉆孔深度沿巷道掘進(jìn)方向按75 m設(shè)計(jì)，斜長約108 m，分別為1#、2#、3#、4#鉆孔，其中1#、2#、4#呈水平布置，1#孔沿巷道中心鉆進(jìn)，2#、4#孔控制左右?guī)团c1#鉆孔水平夾角為12°，目的是探測(cè)前方掘進(jìn)區(qū)域內(nèi)有無水患。3#孔垂直向上布置，鉆孔尋頂鉆進(jìn)，目的是探測(cè)掘進(jìn)前方的頂板富水情況。

2.2 頂板支護(hù)方案

3#煤層直接頂板為泥巖、砂質(zhì)泥巖；老頂為細(xì)粒砂巖、砂泥巖互層等；底板為泥巖、砂質(zhì)泥巖、細(xì)粒砂巖。

經(jīng)調(diào)查及西河煤業(yè)已施工巷道揭露小煤窯空巷情況，其空巷保留情況較好，煤層較穩(wěn)定，小煤窯巷道沿煤層底板掘進(jìn)，上部留有1.5 m左右的頂煤，其頂煤保留完整，沒有冒落，頂板支護(hù)采用錨網(wǎng)索支護(hù)方式，頂錨桿間排距1 000 mm×1 000 mm，設(shè)計(jì)錨固力120 kN，預(yù)緊扭矩為250 N·m；錨索材料為Ф17.8 mm×6 300 mm，間排距1 600 mm×2 000 mm，張拉力不低于150 kN。

當(dāng)所遇到小煤窯空巷已回采，頂煤或頂板已冒落，支護(hù)方式為：1) 當(dāng)頂板冒落高度不大于2 m，能看到冒落后上方的頂板，頂板相對(duì)較完整。采用金屬棚+錨桿+錨索+鋼筋焊結(jié)網(wǎng)，配合木垛接頂支護(hù)方式；2) 當(dāng)頂板冒落高度大于2 m，或冒落區(qū)封堵較嚴(yán)實(shí)，看不到冒落區(qū)上方的頂板，頂板的完整性等情況不清楚，冒落區(qū)矸塊較大，采用金屬棚+菱形金屬網(wǎng)支護(hù)方式，金屬棚采用12號(hào)礦用工字鋼棚，棚距600 mm。

3 回采工作面過采空區(qū)技術(shù)方案分析

3.1 空巷揭露措施

在距離空巷剩余2 m時(shí)，停止作業(yè)、切斷電源、撤出人員，準(zhǔn)備揭露空巷。揭露空巷前，檢測(cè)空巷內(nèi)的瓦斯?jié)舛?，若瓦斯?jié)舛鹊陀?.8%時(shí)，則采用采煤機(jī)割煤的方式直接揭露空巷；若瓦斯?jié)舛雀哂?.8%時(shí)，則按照排放有毒有害氣體措施進(jìn)行作業(yè)。工作面與空巷貫通時(shí)，經(jīng)現(xiàn)場檢查，證明空巷內(nèi)的積水、頂板、有害氣體等無危險(xiǎn)后方可進(jìn)行貫通。

3.2 空巷頂板支護(hù)的處理及通過方法

3.2.1 頂板完整未冒落空巷的通過方法

當(dāng)空巷完全揭露以后，首先由班組長安排支護(hù)人員對(duì)舊巷口頂幫進(jìn)行維護(hù)，然后瓦斯檢查工使用便攜式多參數(shù)測(cè)定器檢測(cè)舊巷內(nèi)的瓦斯、CO2、O2及其它氣體濃度并在舊巷口懸掛便攜式甲烷檢測(cè)報(bào)警儀。

若舊巷內(nèi)瓦斯、CO2、O2及其它氣體濃度符合《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定時(shí)，班組長方可允許作業(yè)人員進(jìn)入舊巷內(nèi)對(duì)舊巷口5 m范圍頂幫隱患進(jìn)行處理并在舊巷5 m位置設(shè)置柵欄、警標(biāo)，嚴(yán)禁擅自進(jìn)入舊巷。頂幫隱患處理結(jié)束且舊巷5 m位置設(shè)置柵欄、警標(biāo)后，則采用點(diǎn)柱進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)，在臨時(shí)支護(hù)下進(jìn)行打木垛永久支護(hù)。

在舊巷內(nèi)點(diǎn)柱、木垛支護(hù)時(shí)必須堅(jiān)持按由外向里的原則，支護(hù)長度不小于距煤壁法線距離20 m。舊巷支護(hù)前必須先對(duì)舊巷口頂板進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，舊巷完好時(shí)采用木點(diǎn)柱支護(hù)，點(diǎn)柱布置兩排，柱距1.2 m。支護(hù)必須頂?shù)捉訉?shí)，舊巷頂板不完好時(shí)采用井字型木垛支護(hù)。在舊巷內(nèi)每隔3 m支設(shè)一個(gè)，確保穩(wěn)定。在丁字口、斜三角處要另打設(shè)一個(gè)木垛。木垛必須與空巷頂幫接實(shí)。舊巷內(nèi)有舊軌道、鐵塊等廢舊材料要進(jìn)行回收，防止割煤時(shí)損壞采煤機(jī)。

回柱、支護(hù)作業(yè)前必須進(jìn)行壓力觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)頂板有異常響動(dòng)或木柱有開裂、彎壓現(xiàn)象(頂板掉渣、片幫)、即冒頂預(yù)兆，嚴(yán)禁人員進(jìn)入空巷作業(yè)，替柱作業(yè)過程中工作面支架嚴(yán)禁操作，將采煤機(jī)刮板機(jī)停電閉鎖。

支護(hù)完成后在空巷內(nèi)鋪設(shè)雜木，雜木選用直徑不小于12 cm的木材，雜木鋪設(shè)平整，鋪設(shè)高度至與現(xiàn)在工作面底板平直、確保工作面設(shè)備能夠順利通過。

揭露空巷后如果發(fā)現(xiàn)工作面與空巷斜交，則工作面通過空巷時(shí)的推進(jìn)方向與原推進(jìn)方向一致；如果空巷與工作面平行，先調(diào)整工作面的推進(jìn)方向，使其與空巷有一定的夾角，逐段通過空巷。采煤機(jī)割煤時(shí)，要嚴(yán)格控制端面距，減少片幫煤，提高牽引速度，加快過空巷的速度。加強(qiáng)組織，縮短工期，加快工作面推進(jìn)速度，避免工作面壓力增大，造成壓架等事故。

3.2.2 頂板破碎或冒落空巷的通過方法

跟班領(lǐng)導(dǎo)檢查指導(dǎo)，班組長統(tǒng)一指揮，安全員現(xiàn)場監(jiān)督，仔細(xì)觀察漏頂范圍及周邊情況，并及時(shí)準(zhǔn)備各種支護(hù)材料，確保本工作面安全生產(chǎn)。處理漏頂前，將采煤機(jī)開出漏頂?shù)囟危Ｖ共擅簷C(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。開動(dòng)刮板輸送機(jī)將部分煤矸拉出，待工作面停止冒落并且停機(jī)閉鎖刮板輸送機(jī)后方可開始處理。

工作面遇大塊矸石時(shí)，嚴(yán)禁使用割煤機(jī)強(qiáng)行破碎。矸石長度大于1 m時(shí)，采用淺眼爆破法進(jìn)行破碎處理，爆破時(shí)，必須利用廢舊皮帶對(duì)工作面支架、供電電纜、液壓管等設(shè)備設(shè)施進(jìn)行安全防護(hù)；矸石長度小于1 m時(shí)，采用人工使用風(fēng)鎬破碎法進(jìn)行處理，在工作面處理矸石時(shí)，必須停機(jī)閉鎖采煤機(jī)和工作面刮板輸送機(jī)，人工將矸石搬至支架與支架之間的空間內(nèi)。

將鐵絲網(wǎng)纏在木梁上，木梁垂直于工作面布置，使用單體將液壓支柱戧木梁的方式將鐵絲網(wǎng)支在破碎頂板上，伸出相鄰液壓支架的前探梁，將木梁和鐵絲網(wǎng)壓入液壓支架前探梁上控制破碎頂板。在支架掩護(hù)下拉動(dòng)輸送機(jī)處理掉煤矸后，再用同樣的方法移架控制頂板。鐵絲網(wǎng)剩余寬度600 mm時(shí)及時(shí)向前續(xù)接聯(lián)網(wǎng)，鐵絲網(wǎng)搭接長度不小于300 mm，綁絲間排距不大于100 mm×100 mm，用16號(hào)聯(lián)網(wǎng)鐵絲雙股扭三圈。所有金屬網(wǎng)必須撐緊、鋪整齊，移架時(shí)不準(zhǔn)出現(xiàn)撕網(wǎng)現(xiàn)象。若上述支護(hù)方法后頂板仍繼續(xù)冒落，則采用在破碎煤幫內(nèi)向下斜插入單體液壓支柱，單體液壓支柱上面搭設(shè)一根3 m長木梁，木梁直徑不小于12 cm，平行于工作面布置，補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)阻止破碎煤矸繼續(xù)冒落，單體液壓支柱間距為2 m，單體液壓支柱支設(shè)時(shí)互相替換支護(hù)，以采煤機(jī)滾筒割不到為標(biāo)準(zhǔn)。頂板破碎無法使用上述方法時(shí)，采用穿針的方法進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)，采用人工配合大錘在穿針尾端砸，一端與工作面支架使用40T刮板機(jī)鏈吊環(huán)固定連接，防止頂板矸石冒落傷人。處理漏冒頂前先清理好退路，若漏矸嚴(yán)重，嚴(yán)禁強(qiáng)行開動(dòng)刮板輸送機(jī)，矸石塊大時(shí)，要先處理，以免拉斷刮板鏈和頂壞設(shè)備。

4 結(jié)論

以西河煤業(yè)3#煤層作為復(fù)采煤層，對(duì)其3#煤層井田范圍內(nèi)的采空區(qū)、小窯破壞區(qū)、采煤方法和采空區(qū)積水情況進(jìn)行了分析，提出了掘進(jìn)工作面過采空區(qū)和回采工作面過采空區(qū)的技術(shù)方案，在此基礎(chǔ)上，應(yīng)進(jìn)一步運(yùn)用調(diào)查、勘探、物探、鉆探等多種手段，盡可能準(zhǔn)確查明采空區(qū)、空巷的位置、范圍以及其中的積水、積氣等情況；在巷道掘進(jìn)過程中遇到的各種情況，應(yīng)詳細(xì)記錄，并在圖紙上標(biāo)明；嚴(yán)格執(zhí)行一空區(qū)、一措施原則，每遇到一處采空區(qū)、空巷，均應(yīng)制定專門的安全技術(shù)措施，做到有針對(duì)性；在復(fù)采過程中，必須加強(qiáng)礦壓監(jiān)測(cè)手段，隨時(shí)進(jìn)行礦壓觀測(cè)，掌握復(fù)采區(qū)采場礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，為后續(xù)工作面采場管理提供理論依據(jù)。