峁底煤礦老窯破壞區(qū)殘煤復(fù)采工藝研究

張 童

(華潤煤業(yè)(集團(tuán))有限公司，山西省太原市，030006)

20世紀(jì)90年代以前，我國煤炭工業(yè)的發(fā)展受開采工藝、裝備制造能力和人員素質(zhì)等方面的限制，多數(shù)井工煤礦采用巷柱式、房柱式或刀柱式等方法進(jìn)行開采，資源回收率僅29%左右[1-2]。受采空區(qū)遺留煤柱、邊角煤和水、火、瓦斯等致災(zāi)因素的影響，復(fù)采工作面條件復(fù)雜。雖然國內(nèi)外不少煤炭專家和技術(shù)人員針對(duì)短壁綜放、高檔普采放頂煤、短壁炮采、綜采放頂煤等不同類型復(fù)采工藝進(jìn)行了研究和探索[3-4]，但由于老窯破壞區(qū)積水、積氣、頂板、底板等地質(zhì)條件復(fù)雜，工程實(shí)踐較少，現(xiàn)有的老窯破壞區(qū)復(fù)采理論和技術(shù)還遠(yuǎn)不能夠滿足復(fù)雜條件下特厚煤層殘采區(qū)的煤炭資源安全高效回采。

山西呂梁峁底煤礦根據(jù)礦井生產(chǎn)規(guī)劃和正常采掘接替，后續(xù)工作面要布置在老窯的“老空老巷”破壞區(qū)下，一定程度上給礦井的安全高效開采帶來較大困難，主要體現(xiàn)在老窯的“老空老巷”破壞區(qū)分布范圍不清、層位不明，回采過程中存在較大安全隱患；老窯破壞區(qū)煤層由于經(jīng)過采動(dòng)破壞，導(dǎo)致礦山壓力顯現(xiàn)規(guī)律復(fù)雜等。因此，老窯破壞區(qū)下安全高效開采是該礦亟待解決的難題。

1 礦井概況及復(fù)采研究區(qū)域范圍

1.1 礦井概況

峁底煤礦位于山西興縣縣城東南5 km處，為整合礦井，井田面積5.5105 km2，產(chǎn)能0.9 Mt/a，主采13#煤層平均厚度12.08 m，平均傾角8°，頂板為粗砂巖、泥巖，底板為泥巖，水文地質(zhì)類型為中等，屬低瓦斯礦井，易自燃煤層。礦井采用斜—立混合開拓方式，即主斜井、副斜井和回風(fēng)立井。礦井采用中央并列式通風(fēng)，主、副斜井進(jìn)風(fēng)，回風(fēng)立井回風(fēng)。

1.2 復(fù)采研究區(qū)域

峁底煤礦的一采區(qū)、二采區(qū)13201和13202工作面已回采完畢，13203工作面目前正在回采，其北側(cè)的13204及13025工作面等均在老窯破壞區(qū)內(nèi)。將二采區(qū)13203工作面北側(cè)、煤礦發(fā)火區(qū)以南、一采區(qū)東側(cè)至井田邊界的區(qū)域定義為復(fù)采研究區(qū)域，面積為1.16 km2。

2 研究區(qū)域老窯破壞區(qū)分布和積水、積氣情況

通過對(duì)老窯開采圖紙和相關(guān)資料分析，結(jié)合地質(zhì)勘查、現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)及揭露情況，確定了老巷分布、老窯開采層位及采空區(qū)分布情況，空巷位置及老窯采空區(qū)分布如圖1所示。

2.1 研究區(qū)域老窯破壞區(qū)分布情況

2.1.1 老巷分布和開采層位

圖中藍(lán)色粗實(shí)線均為13202、13203工作面在巷道掘進(jìn)過程中揭露的多條老巷。老巷為矩形斷面，斷面尺寸約為3 m×2.5 m，布置在煤層中部，距回采巷道頂板平均為2.2 m，距煤層底板平均為5.4 m。

2.1.2 老空區(qū)分布情況

根據(jù)收集到的老空區(qū)資料對(duì)老空區(qū)進(jìn)行編號(hào)，并對(duì)破壞面積進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。根據(jù)已探明老巷的層位和標(biāo)高判斷該礦老巷沿煤層中部布置，距煤層底板平均5.4 m，推測(cè)該礦主要開采13#煤層上部厚度平均為6.68 m(含夾矸)的煤炭資源。研究區(qū)內(nèi)老空區(qū)總面積0.395 km2，采出率約為18.4%。

2.2 研究區(qū)域積水、積氣情況及其防治措施

2.2.1 研究區(qū)域積水情況及其防治措施

以地面瞬變電磁法所采集的資料為基礎(chǔ)，對(duì)測(cè)區(qū)內(nèi)13#煤層附近位置的相對(duì)富水異常區(qū)進(jìn)行劃分并編號(hào)，并結(jié)合采空區(qū)的分布，得出研究區(qū)域強(qiáng)富水區(qū)域采空區(qū)位置，如表1所示。研究區(qū)域地面勘探異常區(qū)分布與采空區(qū)位置對(duì)照分布如圖2所示。

圖1 老窯破壞區(qū)復(fù)采研究區(qū)域

表1 研究區(qū)域富水區(qū)域分布

圖2 13#煤層準(zhǔn)平面切片成果

異常區(qū)A-2、A-3、A-4、A-5、A-8為強(qiáng)富水異常區(qū)，對(duì)應(yīng)的采空區(qū)1、2、3、4和7存在大量的積水，會(huì)對(duì)研究區(qū)域復(fù)采產(chǎn)生較大的影響。

峁底礦在處理水害隱患時(shí)以防為主，再輔以物探、鉆探、化探、鉆孔內(nèi)窺等綜合探測(cè)手段，盡量將水害扼殺在萌芽狀態(tài)，采取防治結(jié)合的綜合治理手段，確保了各開拓掘進(jìn)區(qū)域以及回采工作面安全施工。

2.2.2 研究區(qū)域積氣情況

井下各采空區(qū)因開采時(shí)間久遠(yuǎn)且空間封閉、通風(fēng)不暢，會(huì)有二氧化碳、沼氣等有害氣體積存。特別是關(guān)閉時(shí)間長的采空區(qū)，多年形成的有害氣體會(huì)隨時(shí)間的積累，長期不通風(fēng)造成濃度越來越大。根據(jù)揭露的老巷及掘巷過程中涌出氣體的檢測(cè)，采空區(qū)內(nèi)積氣含量不高，風(fēng)排后對(duì)復(fù)采無影響。

3 研究區(qū)域復(fù)采方案

3.1 復(fù)采工作面設(shè)計(jì)

3.1.1 復(fù)采工作面長度

工作面長度是決定產(chǎn)量和效率的主要因素[5]。峁底煤礦13#煤層的傾角為8°，厚度為12.08 m，工作面的合理長度范圍為150～240 m。結(jié)合13203工作面已有設(shè)備配套等情況，復(fù)采工作面長度仍沿用160 m。

3.1.2 工作面間煤柱寬度

基于彈性核理論對(duì)煤柱寬度進(jìn)行合理計(jì)算，以13204和13205工作面為例進(jìn)行說明，如圖3所示。

煤柱寬度計(jì)算式為：

B=X1+X2+X3

(1)

式中：X1——工作面?zhèn)让褐苄詤^(qū)寬度，m；

X2——采空區(qū)側(cè)塑性破壞區(qū)寬度，m；

X3——彈性核區(qū)寬度，m。

按照經(jīng)驗(yàn)，選取彈性核區(qū)X3的寬度為X1+X2。

根據(jù)巖體極限平衡理論，塑性區(qū)寬度X1表達(dá)式為：

(2)

式中：K——應(yīng)力集中系數(shù)；

P——支架對(duì)煤幫的阻力，MPa；

M——煤層開采厚度，m；

C——煤體黏聚力，MPa；

φ——煤體內(nèi)摩擦角，(°)；

f——煤層與頂?shù)装褰佑|面的摩擦因數(shù)；

γ——巖層的體積力，kN/m3；

H——煤層的埋深，m；

ξ——三軸應(yīng)力系數(shù)。

圖3 區(qū)段煤柱分區(qū)示意圖

根據(jù)13204工作面開采條件，13#煤層平均厚度為12.08 m，煤層內(nèi)摩擦角為25°，黏聚力為1.6 MPa，根據(jù)該區(qū)域經(jīng)驗(yàn)值，采空區(qū)側(cè)支護(hù)阻力取0.25 MPa，f取0.4，工作面?zhèn)葢?yīng)力集中系數(shù)取4，上覆巖層平均體積力取25 kN/m3，煤層平均埋深取233 m，則工作面?zhèn)让褐乃苄詫挾萖1=8.58 m。

計(jì)算支承壓力下的塑性破壞寬度X2，采高取3.2 m，應(yīng)力集中系數(shù)取2.5，則采空區(qū)側(cè)塑性破壞區(qū)寬度X2=1.72 m。

由式(1)可求得煤柱寬度B為20.6 m。則區(qū)段煤柱寬度應(yīng)不小于20.6 m。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況，工作面煤柱寬度取25 m。

3.2 復(fù)采工作面布置

根據(jù)研究區(qū)域內(nèi)老空區(qū)破壞情況及水文地質(zhì)條件，由13204工作面向北可依次布置13205、13206、13207、13208共4個(gè)復(fù)采工作面?；夭身樞蛞来螢?3205、13206、13207、13208工作面。研究區(qū)域內(nèi)復(fù)采工作面布置如圖4所示。

根據(jù)峁底煤礦瓦斯、采區(qū)涌水情況，單巷布置可以滿足要求。13205復(fù)采工作面上方有采空區(qū)7、采空區(qū)8和多條老巷，工作面傾向長1020 m。13206復(fù)采工作面上方由采空區(qū)5、7、8、9共4個(gè)老空區(qū)，運(yùn)輸巷長1125 m，回風(fēng)巷990 m，停采線與下個(gè)工作面開拓巷道留50 m安全距離。13207工作面上方有采空區(qū)4、5、6共3個(gè)采空區(qū)，運(yùn)輸巷長800 m，回風(fēng)巷長670 m。13208工作面上方有采空區(qū)2、3、6共3個(gè)采空區(qū)，兩巷道長度均為380 m。

圖4 研究區(qū)域復(fù)采工作面布置示意圖

復(fù)采巷道布置于老空區(qū)下方，要根據(jù)巷道頂板煤層的不同狀態(tài)，采取分區(qū)動(dòng)態(tài)支護(hù)和支護(hù)參數(shù)合理選擇控制的對(duì)策[6]。

3.3 研究區(qū)域可回收資源量、服務(wù)年限及采煤工藝

3.3.1 研究區(qū)域可回收資源量及服務(wù)年限

復(fù)采區(qū)域內(nèi)13205、13206、13207、13208工作面采出的煤炭總量即為研究區(qū)域復(fù)采的回收煤炭量。4個(gè)復(fù)采工作面的剩余煤炭資源量統(tǒng)計(jì)如表2所示。經(jīng)計(jì)算，研究區(qū)域4個(gè)復(fù)采工作面可回收煤炭量為375.6萬t，復(fù)采可服務(wù)年限約為3年。

3.3.2 采煤工藝確定

針對(duì)復(fù)采區(qū)域地質(zhì)條件和煤層賦存特征，以及工作面過老空區(qū)煤層厚度不穩(wěn)定的特點(diǎn)，結(jié)合峁底煤礦現(xiàn)回采工藝、復(fù)采研究區(qū)域地質(zhì)條件、煤層賦存及工人設(shè)備操作熟練程度，并借鑒其他煤礦復(fù)采成功經(jīng)驗(yàn)，本次復(fù)采仍采用綜采放頂煤采煤工藝。

表2 復(fù)采工作面剩余煤炭資源量情況

3.3.3 工作面采高

研究和實(shí)踐證明，當(dāng)加大工作面的采高時(shí)，工作面頂板壓力隨之增大，支架受偏心載荷影響，穩(wěn)定性變差；煤壁前方支承應(yīng)力集中程度增大，加劇了工作面煤壁片幫和冒頂?shù)某潭萚8]。峁底煤礦13#煤層裂隙較為發(fā)育，采高以3.2 m比較合適，采放比控制在1∶3以內(nèi)。其中復(fù)采區(qū)域采3.2 m、放2.2 m，采放比為1∶0.7。

3.4 老窯破壞區(qū)頂板控制及支護(hù)方式

3.4.1 老窯破壞區(qū)頂板結(jié)構(gòu)

厚煤層上分層開采后留下的采空區(qū)是否垮落將對(duì)下分層復(fù)采工作面的頂板維護(hù)及礦壓顯現(xiàn)產(chǎn)生很大影響。老窯開采導(dǎo)致厚煤層上分層內(nèi)出現(xiàn)煤柱與采空區(qū)相互交錯(cuò)的現(xiàn)象，采空區(qū)的頂板形態(tài)主要可分為頂板垮落、頂板未垮落兩種形態(tài)；其中頂板垮落狀態(tài)按不同的垮落程度可進(jìn)一步分為頂板部分垮落和頂板完全垮落。老窯破壞區(qū)結(jié)構(gòu)形態(tài)如圖5所示。采空區(qū)上方頂板是否垮落與采空區(qū)兩側(cè)煤柱的穩(wěn)定性和頂板巖層的極限跨距有關(guān)。

隨著上分層開采尺寸的增大，頂板會(huì)逐漸發(fā)生破斷。頂板的垮落程度對(duì)下分層復(fù)采工作面的礦壓顯現(xiàn)有很大影響。根據(jù)上分層開采尺度及頂板破壞程度將老窯破壞區(qū)結(jié)構(gòu)形態(tài)分為以下3種：

圖5 老窯破壞區(qū)結(jié)構(gòu)形態(tài)

3.4.2 過老空區(qū)、老巷圍巖控制

針對(duì)一次采動(dòng)形成的破碎圍巖結(jié)構(gòu)及裂隙發(fā)育特點(diǎn)，通過選擇合理的充填(注漿)材料、工藝及效果檢驗(yàn)方法，確保圍巖控制效果。

(1)巷道過空巷措施。巷道過老巷時(shí)，需要在空巷頂部進(jìn)行錨網(wǎng)索主動(dòng)支護(hù)，錨網(wǎng)索支護(hù)完成后，再采用木垛進(jìn)行支護(hù)，木垛要求接頂嚴(yán)實(shí)，架設(shè)至巷道頂板標(biāo)高時(shí)，再進(jìn)行架棚支護(hù)，回采巷道過老空巷支護(hù)如圖6所示。

圖6 巷道過老空支護(hù)示意圖

(2)巷道揭露采空區(qū)圍巖控制。采用架棚及棚外注漿方式通過采空區(qū)如圖7所示。

圖7 充填袋架棚支護(hù)設(shè)計(jì)

支護(hù)主要采用11#工字鋼架棚支護(hù)，架棚排距0.6 m，架棚采用2寸鋼管整體加固和鎖腿錨桿加固。架棚外側(cè)采用充填袋充填加固，以緩沖采空區(qū)冒落矸石的沖擊維護(hù)架棚整體穩(wěn)定性。充填袋的尺寸為長12 m、寬1.6 m、厚1 m，中部設(shè)計(jì)3個(gè)孔(2個(gè)充填孔，1個(gè)出氣孔)，每掘進(jìn)2個(gè)架棚注漿充填1次。

(3)破碎圍巖注漿加固措施。針對(duì)巷道頂板破碎區(qū)域，進(jìn)行注漿加固(馬麗散)處理，經(jīng)過注漿處理加固圍巖，即可提高巷道的穩(wěn)定性，又可提高掘進(jìn)和擴(kuò)刷速度。破碎圍巖注漿鉆孔布置如圖8所示。

3.4.3 巷道斷面

復(fù)采工作面回采巷道的尺寸要與生產(chǎn)能力相匹配，能夠滿足通風(fēng)、行人、運(yùn)輸及設(shè)備安裝的要求，巷道斷面尺寸如表3所示。

表3 工作面回采巷道斷面尺寸

3.4.4 支護(hù)方式

按照分區(qū)支護(hù)和及時(shí)主動(dòng)支護(hù)、支護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)化的原則，針對(duì)復(fù)采區(qū)域巷道頂板煤層的不同狀態(tài)，結(jié)合經(jīng)濟(jì)合理性原則，復(fù)采工作面回采巷道采用以錨桿支護(hù)為基本支護(hù)的動(dòng)態(tài)支護(hù)方式，如表4所示。

表4 分區(qū)動(dòng)態(tài)支護(hù)方式

4 主要結(jié)論及建議

4.1 主要結(jié)論

(1)基本查明了研究區(qū)域內(nèi)老巷的分布層位和斷面尺寸、老空區(qū)的積水積氣情況；老窯均采用壁式炮采落煤法采煤；研究區(qū)域內(nèi)老空區(qū)總面積為0.395 km2，老窯的煤炭采出率約為18.4%。

圖8 注漿鉆孔布置

(2)根據(jù)研究區(qū)域地質(zhì)條件，復(fù)采工作面長度沿用160 m，工作面間煤柱寬度為25 m。在研究區(qū)域內(nèi)沿13204工作面向北依次布置13205、13206、13207、13208共4個(gè)復(fù)采工作面依次開采。13205和13206工作面可充分利用二采區(qū)大巷，13207和13208工作面需開拓新的大巷。4個(gè)復(fù)采工作面可回收煤炭資源量為375.6萬t，服務(wù)年限為3年。

(3)根據(jù)復(fù)采區(qū)域地質(zhì)條件及煤層賦存特征，采用綜采放頂煤采煤工藝，采高以3.2 m比較合適，采放比控制在1∶3以內(nèi)。其中復(fù)采區(qū)域采3.2 m，放2.2 m，采放比為1∶0.7。

(4)復(fù)采工作面回采巷道采用分區(qū)支護(hù)、及時(shí)主動(dòng)支護(hù)、支護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)化和經(jīng)濟(jì)合理性原則，以煤層頂板結(jié)構(gòu)為指標(biāo)，以錨桿支護(hù)為主、架棚支護(hù)為輔的分區(qū)動(dòng)態(tài)支護(hù)方案。

(5)峁底礦研究區(qū)域復(fù)采過程中生產(chǎn)成本共計(jì)8.90億元，按340元/t的煤價(jià)計(jì)算，復(fù)采可增加收入12.77億元，實(shí)現(xiàn)利潤3.18億元，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

4.2 建議

(1)加強(qiáng)研究區(qū)域老空區(qū)回采巷道圍巖控制的研究，特別是在老空區(qū)下大斷面切眼支護(hù)方面，為復(fù)采工作面快速安全掘進(jìn)提供理論和技術(shù)支持。

(2)峁底煤礦復(fù)采工作面過老空區(qū)頂板活動(dòng)特征及礦壓規(guī)律尚不清楚；因此，建議安裝在線礦壓檢測(cè)系統(tǒng)，摸清頂板活動(dòng)規(guī)律，為后續(xù)復(fù)采工作面開采提供相關(guān)技術(shù)參考。