復(fù)雜地質(zhì)條件下災(zāi)害超前防控與資源高效回收一體化研究及應(yīng)用

王志根

摘 要：中國是煤炭資源最豐富國家之一，山西是中國煤炭資源最豐富省份之一。經(jīng)過近幾十年的開采，已面臨資源枯竭，經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型迫在眉睫，但轉(zhuǎn)型有過渡期，過渡期仍然以煤炭生產(chǎn)為經(jīng)濟(jì)支撐。從20世紀(jì)末開始，煤炭產(chǎn)能得到了大規(guī)模的釋放，部分煤田被無計(jì)劃地分割為多個(gè)井田開采，多數(shù)礦井面積不足4km2，而受設(shè)備及技術(shù)力量約束，這些被分割的井田多被建設(shè)成了小型煤礦，且部分煤礦施工工藝落后，資源回收率低、房柱式開采造成很多老空區(qū)，久而久之老空區(qū)又形成了積水積氣現(xiàn)象，造成了礦井災(zāi)害。21世紀(jì)初，為了提高資源回收率，山西省推行了資源整合政策，將眾多小型煤礦整合為大型煤礦進(jìn)行開采，但前期小煤窯落后的開采工藝及裝備技術(shù)已留下嚴(yán)重的后遺癥，整合后的大型礦井沒有完整的井田，為提高資源回收率，本文對(duì)復(fù)雜條件下災(zāi)害防控與資源高效回收進(jìn)行了研究，以供參考。

關(guān)鍵詞：資源;工藝;整合;災(zāi)害防控

中圖分類號(hào)：TD263.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2020）12-0196-02

0概述

南陽坡礦井田面積3.9714km2，批準(zhǔn)開采3、4、6、9#煤層，其中4-1#距3-2#層間距23.75m;4-2#距4-1#層間距2.73m;6#距4-2#層間距27.36m;9-1#距6#層間距2.75m;9-2#距9-1#層間距7.94m。

從煤層層間距來看，均屬近距離煤層，開采時(shí)上下層將產(chǎn)生顯著壓力影響。

4111工作面受資源整合前小煤窯開采破壞，回采范圍內(nèi)存在縱橫交錯(cuò)的17條老巷，老巷或位于工作面上方，或位于下方，幾乎不同程度的都存在冒頂片幫現(xiàn)象，冒頂最高處可達(dá)5m之多，冒頂?shù)母≡涮钕锏篮笞畎幹挥?m左右，老巷內(nèi)又存在積水、有害氣體等災(zāi)害。

此外，4111工作面上覆4109采空區(qū)，與之層間距最小處不足4m;回采至里程450m時(shí)與附近回風(fēng)立井間距只有50m，與總回風(fēng)巷間距為23m，若不采取措施，回風(fēng)立井與總回風(fēng)巷的使用將受到嚴(yán)重影響。另南陽坡礦煤層頂板屬大同煤田厚層狀砂巖，抗壓、抗拉強(qiáng)度大，不易冒落，當(dāng)采空區(qū)頂板來壓時(shí)，堅(jiān)硬頂板大面積突然冒落會(huì)造成嚴(yán)重災(zāi)害。

眾多因素導(dǎo)致工作面開采條件極為復(fù)雜，影響資源回收率，因而針對(duì)此種條件，研究及應(yīng)用在復(fù)雜地質(zhì)條件下的災(zāi)害超前防控與資源高效回收具有重要意義。

1 研究方法

1.1 新工藝助力初采頂板垮落

采煤工作面在初采階段經(jīng)常需要借助強(qiáng)制放頂來實(shí)現(xiàn)頂板安全垮落。過去通常采用火工品爆破致裂頂板，此種方法雖然能使堅(jiān)硬頂板及時(shí)垮落，但卻有著引燃引爆瓦斯煤塵的隱患，爆破同時(shí)伴隨有害氣體的產(chǎn)生，因此CO2預(yù)裂頂板應(yīng)運(yùn)而生。

二氧化碳致裂不產(chǎn)生沖擊波、明火、熱源和各種有毒有害氣體，安全性能高，主要優(yōu)點(diǎn)為：（1）熱反應(yīng)過程在密閉管體內(nèi)腔中進(jìn)行，低溫爆破，噴出的二氧化碳具有抑制和阻燃作用，不會(huì)引爆瓦斯;（2）震動(dòng)小，不產(chǎn)生具有破壞性的震蕩，大大降低誘發(fā)瓦斯突出的可能性;（3）充裝、運(yùn)輸、存放具有較高的安全性;（4）爆破能力可控，根據(jù)需要設(shè)定能量等級(jí);（5）不產(chǎn)生有毒有害氣體，躲炮距離近，可迅速返回工作面，連續(xù)作業(yè)。

1.2 超前研判、分析與治理，防控礦井災(zāi)害

4111工作面回采期間陸續(xù)穿越多條老巷，老巷內(nèi)存在積水、有害氣體、頂板等隱患，且老巷層位與工作面回采層位不一致，存在四條斷層。為消除回采安全隱患，提前啟封老巷，及時(shí)進(jìn)行了探查與治理：

（1）為消除有害氣體、水、冒頂及蹬空等隱患，初步確定了老巷條數(shù)及范圍，制定了安全技術(shù)措施，安設(shè)局部通風(fēng)機(jī)，排放稀釋氣體后對(duì)老巷探查，現(xiàn)場(chǎng)確定老巷加強(qiáng)支護(hù)方案并及時(shí)施行，最終工作面實(shí)現(xiàn)了災(zāi)害超前治理，為安全回采創(chuàng)造了有利條件。

（2）為防止回采期間有毒有害氣體涌出，徹底消除老巷威脅，在工作面推至距老巷50m時(shí)，將密閉墻再次啟封小口，對(duì)老巷內(nèi)氣體測(cè)定分析，采用局部通風(fēng)機(jī)排放稀釋氣體。

（3）安排測(cè)量人員不間斷對(duì)4111工作面所通過老巷進(jìn)行實(shí)測(cè)，從工作面距老巷40m時(shí)每推進(jìn)10m對(duì)工作面標(biāo)高進(jìn)行測(cè)量，并對(duì)斷層分析，以少丟煤、少破巖石為原則，根據(jù)老巷實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)合斷層預(yù)想畫出剖面圖，對(duì)回采層位進(jìn)行局部調(diào)整，按照既定的層位回采。如圖1、圖2所示。

（4）由于4111工作面上覆4109采空區(qū)，層間距較小，且工作面停采線位置斜穿兩條老巷，為消除施工回撤通道及回撤設(shè)備期間安全隱患，提前對(duì)老巷及4111回撤通道與4109采空區(qū)的層位關(guān)系進(jìn)行了分析，確定了回撤通道位置及支護(hù)參數(shù)，確保工作面鋪網(wǎng)上繩、刷擴(kuò)及回撤期間的安全。

（5）礦井總回風(fēng)巷受4111工作面回采影響，幫部局部開裂，易形成漏風(fēng)通道，存在采空區(qū)遺煤自燃隱患。為防止災(zāi)害發(fā)生，制定了在礦井總回風(fēng)巷破碎地段補(bǔ)打錨桿（索）、噴漿封堵措施，安排專人定期檢查記錄總回風(fēng)巷永久密閉墻內(nèi)外壓差，形成曲線圖并分析采空區(qū)塌陷漏風(fēng)情況，有效預(yù)防了工作面老巷與礦井總回風(fēng)巷形成漏風(fēng)通道發(fā)生煤層自燃現(xiàn)象。

1.3 近距離煤層開采，合理設(shè)計(jì)巷道布置

南陽坡礦主要開采3#、4#、6#煤層，均為近距離煤層，且由于井田面積不足4km2，如何充分結(jié)合各煤層地質(zhì)特性及相配套采礦工藝礦壓分布特點(diǎn)，利用井下生產(chǎn)現(xiàn)狀，最大限度地發(fā)揮現(xiàn)代化采煤工藝優(yōu)勢(shì)，在小范圍內(nèi)安全、連續(xù)、高效回采。

因此，南陽坡礦在4109工作面（3#層）與4111工作面（4#層）開展了一系列圍繞區(qū)段煤柱留設(shè)、臨近層采掘礦壓活動(dòng)規(guī)律研究、近距離煤層支護(hù)及有效性評(píng)判等多方面綜合性研究來指導(dǎo)礦井生產(chǎn)。

1.3.1 近距離上下層同采合理錯(cuò)距研究

（1）理論建模分析方法。近水平煤層單個(gè)工作面開采后，采空區(qū)周圍巖層運(yùn)動(dòng)處于非充分采動(dòng)階段，巖層破裂高度約為采空區(qū)寬度的一半[1]。采空區(qū)上覆巖層的運(yùn)動(dòng)是以巖層組為單位的，每一巖層組中的厚硬巖層作為關(guān)鍵層，控制著該巖層組的運(yùn)動(dòng)和變形。各巖層組在工作面前方產(chǎn)生離層，離層出現(xiàn)在上方巖層組的關(guān)鍵層和下方巖層組的軟弱巖層之間，采空區(qū)一側(cè)離層端的連線稱為巖層移動(dòng)線，該線與水平線的夾角α稱為巖層移動(dòng)角。采空區(qū)一側(cè)煤體的側(cè)向支承壓力σ由自重應(yīng)力σq和應(yīng)力增量Δσ等兩部分組成，即：σ=Δσ+σq。

通過理論建模計(jì)算，得到4#煤層側(cè)向支承壓力分布，可知采空區(qū)外側(cè)煤體側(cè)向支承壓力峰值位置距采空區(qū)約26m，支承壓力峰值約12.52MPa;距采空區(qū)0m～5m為低應(yīng)力區(qū)，也是塑性區(qū);距采空區(qū)5m～50m為支承壓力影響區(qū);距采空區(qū)50m以外為原巖應(yīng)力區(qū);距采空區(qū)5m～26m為彈塑性損傷區(qū);距采空區(qū)26m～∞為彈性區(qū)。

（2）現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)方法。1）在4111進(jìn)風(fēng)順槽里程800m煤壁側(cè)、煤柱側(cè)前后100m附近布置第一組觀測(cè)站，每10m設(shè)置一處觀測(cè)點(diǎn)，共設(shè)置20處，每處觀測(cè)點(diǎn)在順槽左右?guī)透鞔蛟O(shè)鉆孔5個(gè)（孔深分別為4m、7m、12m、17m、22m），安裝應(yīng)力計(jì)用于觀測(cè)實(shí)體煤內(nèi)應(yīng)力值受上覆4109工作面采動(dòng)影響變化。2）在4111回風(fēng)順槽里程600m（與進(jìn)風(fēng)順槽同一經(jīng)度位置）煤壁側(cè)、煤柱側(cè)前后100m附近布置第二組觀測(cè)站，每10m設(shè)置一處觀測(cè)點(diǎn)，共設(shè)置20處，每處觀測(cè)點(diǎn)在順槽左右?guī)透鞔蛟O(shè)鉆孔5個(gè)（孔深分別為4m、7m、12m、17m、22m），安裝應(yīng)力計(jì)用于觀測(cè)實(shí)體煤內(nèi)應(yīng)力值受上覆4109工作面采動(dòng)影響變化。

1.3.2 近距離煤層巷道支護(hù)設(shè)計(jì)研究

（1）一般支護(hù)選取原則。1）及時(shí)主動(dòng)支護(hù)，巷道開挖后應(yīng)及時(shí)支護(hù)，控制巷道圍巖離層、裂隙的進(jìn)一步擴(kuò)大，減小空頂、空幫時(shí)間和距離[2]。2）對(duì)錨桿（索）施加合理的預(yù)應(yīng)力，保證錨桿支護(hù)系統(tǒng)有較高的承載能力，提高巷道圍巖的整體穩(wěn)定性。3）近距離煤層頂板圍巖結(jié)構(gòu)易因上覆煤層采動(dòng)影響而遭到破壞，需加強(qiáng)對(duì)圍巖結(jié)構(gòu)變形的控制。4）巷道錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)前必須進(jìn)行井下拉拔試驗(yàn)，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。5）在實(shí)現(xiàn)錨桿支護(hù)系統(tǒng)高強(qiáng)度、高可靠性的前提下，做到降低錨桿支護(hù)密度，提高掘進(jìn)速度，降低支護(hù)成本。

（2）不同層間距下巷道支護(hù)原則。根據(jù)層間距及圍巖狀況，當(dāng)層間距小于18m時(shí)采用錨網(wǎng)索+工字鋼棚進(jìn)行支護(hù)，當(dāng)層間距大于18m時(shí)采用錨網(wǎng)索支護(hù)[3]。

（3）錨桿錨索受力監(jiān)測(cè)。通過現(xiàn)場(chǎng)安裝錨桿（索）測(cè)力計(jì)對(duì)所安裝錨桿（索）進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)錨桿（索）初始預(yù)緊力施加較為合理，錨桿集中在20kN～40kN，個(gè)別錨桿達(dá)到45kN;錨索預(yù)緊力集中在70kN～85kN之間。在受力監(jiān)測(cè)過程中，錨桿（索）受力變化值普遍較小、受力比較穩(wěn)定，說明支護(hù)參數(shù)選取與上下層巷道錯(cuò)距布置合理。

2 結(jié)語

2.1 實(shí)現(xiàn)頂板安全垮落

南陽坡礦在4111工作面首次采用二氧化碳致裂堅(jiān)硬頂板，能夠使頂板在工作面推進(jìn)4m時(shí)，70～120架頂板垮落;推進(jìn)到22m時(shí)，工作面頂板全部垮落，且未產(chǎn)生各類次生有毒有害氣體。既保證了安全回采，又使工作面提前進(jìn)入放煤階段，間接提高了資源回收率。

2.2 以最簡(jiǎn)便的方式保護(hù)了回風(fēng)立井不受采動(dòng)影響

通過采取工作面機(jī)尾局部支架不放煤的方式，最終順利通過采動(dòng)影響區(qū)，回風(fēng)立井未受到任何采動(dòng)影響，保證了礦井生產(chǎn)的正常與連續(xù)性。

2.3 通過超前研判與治理，積極主動(dòng)地防控了災(zāi)害

對(duì)所有老巷積水、積氣、頂板等隱患進(jìn)行了排除，并且通過繪制工作面與老巷、斷層剖面圖，提前調(diào)整回采層位，順利通過老巷、斷層，安全回采至工作面結(jié)束。

2.4 掌握了南陽坡礦近距離煤層開采的技術(shù)資料

通過實(shí)踐，掌握了下部煤層巷道合理錯(cuò)距應(yīng)保持在20m～30m左右、工作面同采安全距離不小于200m、巷道支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)等重要技術(shù)資料，做到安全有效、經(jīng)濟(jì)合理、施工過程便捷。

參考文獻(xiàn)

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[3] 吳吉南.受小煤礦開采影響區(qū)域開拓大巷布置研究[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2018，46（s2）：30-34.