小煤礦破壞區(qū)煤炭資源復(fù)采回收技術(shù)研究

李樹林

（桐梓縣眾源煤業(yè)有限公司，貴州 遵義 563200）

0 引言

對(duì)煤炭資源形成的各類研發(fā)工藝，加大小煤礦區(qū)整治力度，較為關(guān)鍵。比如，在貴州某礦區(qū)，在煤礦資源開采時(shí)，使用的采煤工藝較為落后，資源回收占比介于10%~25%之間。在眾源、官倉相關(guān)井田內(nèi)部，小煤礦破壞規(guī)模較大，高達(dá)數(shù)十平方公里。因此，加強(qiáng)復(fù)采技術(shù)使用，有效回收小煤礦破壞區(qū)內(nèi)部的可用資源，以增強(qiáng)資源回收效果。

1 小煤礦破壞區(qū)的工藝類別

1.1 破壞區(qū)類型

（1）空洞型。煤層在采集完成時(shí)，煤柱間隔距離不大，煤柱相鄰位置的頂板，固定效果欠佳。破壞區(qū)內(nèi)未被填充，冒落煤矸石數(shù)量不充足。

（2）填充型。煤層處于采集完全狀態(tài)時(shí)，在煤柱間規(guī)格較大的情況下，引起頂板結(jié)構(gòu)掉落，同時(shí)在礦山壓力下，形成填充型的破壞區(qū)。

（3）塌陷型。在破壞區(qū)形成后，煤柱間隔較大，同時(shí)上覆巖層重力條件下，引起煤柱頂板掉落，在頂板重力與巖層作用的雙重影響下，破壞區(qū)發(fā)生形變、坍塌等情況。

1.2 采煤工藝類型

（1）壁式工藝。在采煤作業(yè)時(shí)，可操作的采煤工作面中，巷道至少為2，其一增強(qiáng)通風(fēng)性，另一個(gè)巷道用來運(yùn)輸煤礦資源。

（2）柱式工藝。此種采煤工藝含有三種采煤方法：第一種為房式復(fù)采；第二種為房柱式復(fù)采；第三種為巷柱式復(fù)采。

2 資源復(fù)采技術(shù)

2.1 有冒落矸石的工藝處理

2.1.1 冒落矸石加固性處理

在破壞區(qū)內(nèi)含有冒落矸石時(shí)，此時(shí)破壞區(qū)為填充類型。利用巷道進(jìn)行破壞區(qū)橫穿時(shí)，破壞區(qū)下方結(jié)構(gòu)會(huì)含有一定數(shù)量的冒落矸石。在破壞區(qū)發(fā)現(xiàn)的冒落矸石，此種材料自身不具有較強(qiáng)的支護(hù)與結(jié)構(gòu)平穩(wěn)性能。在采煤工藝推進(jìn)期間，可使用超前注漿形式，固定處理冒落矸石，使其具有一定結(jié)構(gòu)平穩(wěn)性。如果采空區(qū)積存大量水，需要在巷道施工前期，進(jìn)行排水處理[1]。

2.1.2 臨時(shí)支護(hù)

在超前注漿作業(yè)環(huán)節(jié)中，需要保持冒落矸石整體的平穩(wěn)性。巷道穿進(jìn)時(shí)，使用撞楔工藝，確保臨時(shí)頂板位置相對(duì)平穩(wěn)。同時(shí)在臨時(shí)支護(hù)時(shí)，使用單體柱，繼而操作架棚給予支護(hù)，再使用圓鋼撐桿，保證鋼棚處于堅(jiān)固的連接狀態(tài)，以提升鋼棚整體結(jié)構(gòu)的平穩(wěn)性。由于頂板具有易碎性，需要有效推進(jìn)短掘短支工藝。在進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)時(shí)，可采取單體柱與園木梁相結(jié)合的形式，以保障臨時(shí)支護(hù)可用性，如圖1為臨時(shí)支護(hù)樣式圖。

圖1 臨時(shí)支護(hù)樣式

2.1.3 鋼釬穿設(shè)工法

鋼釬穿設(shè)操作流程：

（1）在進(jìn)行鋼釬穿設(shè)操作時(shí)，需要結(jié)合破壞區(qū)的具體情況，合理進(jìn)行穿設(shè)操作。在鋼釬穿設(shè)期間，鋼釬間隔長度控制在200~800mm范圍內(nèi)。鋼釬穿設(shè)間隔的設(shè)計(jì)，需要確保原有巷道煤矸性能平穩(wěn)性，減少煤矸冒漏事故發(fā)生，保障鋼釬性能。

（2）在穿設(shè)鋼釬時(shí)，需要有效防控鋼釬不牢固問題發(fā)生，保障工藝操作的安全性。在穿設(shè)完成時(shí)，需要將鋼釬、圓形鋼鉆桿，有效固定在鐵絲上。

（3）在鋼釬穿設(shè)完成后，可作業(yè)間距介于1500~1800mm之間。在作業(yè)間距達(dá)標(biāo)后，再開展超前空頂作業(yè)，形成交替施工體系。如果架棚頂部位置，發(fā)生煤質(zhì)散落現(xiàn)象，在架設(shè)循環(huán)架棚時(shí)，需要間距控制在1500mm以內(nèi)。

（4）在鋼釬穿設(shè)固定時(shí)，使用的作業(yè)設(shè)備是鑿巖鉆機(jī)。鉆孔作業(yè)區(qū)，位于底板高度3000mm處，緊挨著鋼棚支護(hù)，以豎向垂直角度，完成鉆孔作業(yè)。

（5）超前控頂作業(yè)環(huán)節(jié)。作業(yè)面位置，使用單體柱、木梁進(jìn)行結(jié)合，以形成臨時(shí)支護(hù)，放置在鋼釬下方區(qū)。臨時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)的放置，需要與鋼棚相距長度保持100mm。

（6）在超前控頂作業(yè)完成后，如果鋼釬安設(shè)存在較大困難，可采取頂錨桿工藝，開展臨時(shí)控頂操作，同時(shí)保留鋼釬支護(hù)結(jié)構(gòu)。在保障鋼釬安設(shè)效果的基礎(chǔ)上，進(jìn)行超前控頂作業(yè)。

2.1.4 破壞區(qū)填充工藝

在對(duì)破壞區(qū)進(jìn)行填充時(shí)，需要全面考量井下的作業(yè)條件、注漿凝固效果、原材料等多重因素，綜合配置填充材料屬性，工藝方案如下：

（1）在采煤巷道正面進(jìn)行鉆孔打設(shè)，使用較低配比的水灰比例，進(jìn)行注漿填充，對(duì)不完整煤巖結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固處理。

（2）在打孔作業(yè)時(shí)，使用探水鉆。在鉆頭選擇時(shí)，以直徑50mm規(guī)格為首選。作業(yè)時(shí)，保持每排設(shè)計(jì)鉆孔2個(gè)，其中一個(gè)鉆孔位置，設(shè)計(jì)在冒落矸石區(qū)，如果鉆孔區(qū)未發(fā)生塌孔現(xiàn)象，可不進(jìn)行套管操作。另一個(gè)鉆孔位置，分布在空?qǐng)鰠^(qū)，同時(shí)使用套管，直徑選擇50mm，材質(zhì)選擇PVC。

2.2 無冒落矸石的工藝處理

巷道穿設(shè)作業(yè)時(shí)，如果破壞區(qū)不存在冒落煤矸石，需要保障架棚整體結(jié)構(gòu)的平穩(wěn)性，在架棚底部采取相應(yīng)的固定措施。在小煤礦破壞區(qū)底部沒有底煤資源的情況下，需要進(jìn)行破底掘進(jìn)作業(yè)。同時(shí)，進(jìn)行注漿填充，形成具有較強(qiáng)抗沖擊性能的支護(hù)結(jié)構(gòu)。架棚外圍在加固處理時(shí)，使用填充袋，以保障破壞區(qū)結(jié)構(gòu)處理效果[2]。

2.3 資源復(fù)采工藝實(shí)例分析

2.3.1 破壞區(qū)情況

桐梓縣眾源煤業(yè)有限公司，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力30萬t/年，成立于2010年。結(jié)合破壞區(qū)整體情況，對(duì)其進(jìn)行煤巖情況分析，發(fā)現(xiàn)眾源煤礦內(nèi)部情況較為嚴(yán)重。此礦井所在區(qū)域的礦田，主要承受的外界作用有兩種：第一種作用類型，橫向應(yīng)力最大值＞豎向主要承受應(yīng)力＞橫向主要承受應(yīng)力的最小值；第二種作用類型，豎向主要承受應(yīng)力＞橫向主要承受應(yīng)力的最大值。

如果礦井內(nèi)藏的煤層位置較深，可視為擁有應(yīng)力場(chǎng)特點(diǎn)，同時(shí)礦井橫向應(yīng)力具有主導(dǎo)性。此礦區(qū)內(nèi)的橫向主要應(yīng)力最大與最小值，均以巷道、采礦深度為變化依據(jù)，在巷道增加、深度加深時(shí)，橫向主要應(yīng)力會(huì)升高。然而，此礦區(qū)應(yīng)力場(chǎng)的邊側(cè)壓力，并不會(huì)在深度增加時(shí)發(fā)生規(guī)律性變化，取值介于0.5~1.5之間。眾源煤礦破壞區(qū)的頂層巖石，質(zhì)地堅(jiān)硬，抗壓強(qiáng)度的測(cè)定結(jié)果是94MPa。直接頂巖石屬性是頁巖，呈黑灰色，質(zhì)地脆弱，對(duì)其進(jìn)行抗壓強(qiáng)度檢測(cè)時(shí)，檢測(cè)結(jié)果是83.9Mpa。底板巖石屬性同樣是頁巖，抗壓強(qiáng)度相比較小，測(cè)定結(jié)果是75.8MPa。煤層結(jié)構(gòu)的整體性能，抗壓檢測(cè)結(jié)果是58.6MPa。

2.3.2 積水探測(cè)

眾源煤礦破壞區(qū)情況較為嚴(yán)重，以一采區(qū)受損狀況為主。選擇一采區(qū)兩個(gè)曲面，標(biāo)號(hào)分別為0902、1105，進(jìn)行地質(zhì)條件分析。使用瞬變電磁設(shè)備，對(duì)選定的兩個(gè)工作面，進(jìn)行積水、巷道空曠性探測(cè)分析，以此獲取小煤礦破壞區(qū)內(nèi)部狀況。探測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)：0902曲面離地有300m，與左巷相距100m位置，有煤層，而煤層距離運(yùn)煤巷道將近700m；在左幫距離80m左右位置，有低阻異常表現(xiàn)，證實(shí)此區(qū)域存在積水；1105曲面相距煤炭運(yùn)輸位置有110m左右，與左幫距離間隔有百米；在左幫相距長度有80m左右的位置，發(fā)現(xiàn)低阻異常，此區(qū)域能夠殘留積水，需要輔以鉆探作業(yè)進(jìn)行驗(yàn)證，以此保障井下破壞區(qū)作業(yè)安全。

2.3.3 礦山壓力分析

在煤層開采完成時(shí)，煤巖體在自身質(zhì)量條件下，會(huì)發(fā)生結(jié)構(gòu)變形與質(zhì)量受損，引起覆巖層內(nèi)部的破損區(qū)持續(xù)擴(kuò)展。為獲取破壞區(qū)與煤柱巖層之間存在影響關(guān)聯(lián)性，以眾源煤礦0902曲面對(duì)應(yīng)的地質(zhì)屬性為視角，進(jìn)行有效分析，獲取回采煤柱時(shí)的各項(xiàng)地質(zhì)條件，包括應(yīng)力場(chǎng)、巖層位移等，為空巷作業(yè)給出合理建議。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際勘測(cè)發(fā)現(xiàn)：對(duì)空巷進(jìn)行開挖作業(yè)時(shí)，會(huì)對(duì)煤層原巖產(chǎn)生一定破壞性，引起應(yīng)力場(chǎng)受到干擾，形成較強(qiáng)集中性的應(yīng)力效應(yīng)，如果此時(shí)在曲面進(jìn)行煤柱回采，加固措施不到位的話，會(huì)引起應(yīng)力效應(yīng)的強(qiáng)力釋放現(xiàn)象，形成較為嚴(yán)重的生產(chǎn)事故[3]。

2.3.4 回采工藝

在進(jìn)行回采作業(yè)時(shí)，需要前期進(jìn)行頂面垮落操作，頂面首次垮落操作的距離間隔為45cm，垮落高度控制在3.7cm左右。在直接頂操作過程中，老頂會(huì)發(fā)生一定旋轉(zhuǎn)，在老頂首次垮落間隔達(dá)到60cm時(shí)，周期內(nèi)垮落間隔均值達(dá)到36cm。依據(jù)1:50的配比，獲取首次垮落間隔長度是30m，周期內(nèi)垮落單位長度均值為18m。在回采期間，操作面與空巷的相距距離會(huì)逐漸縮小，操作面與空巷間隔潛藏的煤層，可視為寬度動(dòng)態(tài)變小的煤柱。在操作面作業(yè)過程中，煤柱位置應(yīng)力的集中效果會(huì)有所增強(qiáng)，操作面動(dòng)壓對(duì)于煤柱會(huì)形成一定影響，此時(shí)需要對(duì)空巷給予加固處理，防控作業(yè)事故發(fā)生。在具體復(fù)采操作時(shí)，使用先進(jìn)性的機(jī)械式采煤工藝。復(fù)采工藝操作時(shí)，工藝流程共有三個(gè)環(huán)節(jié)，分別從操作曲面進(jìn)行通風(fēng)處理、灰塵清除、煤層自燃控制，以此保障復(fù)采工藝進(jìn)展順利，確保作業(yè)安全。

3 結(jié)論

綜上所述，填充與重復(fù)采集工藝結(jié)合方式，能夠有效提升小煤礦破壞區(qū)的資源回收能力，有效釋放剩余煤炭資源，使煤炭資源回收效率處于67%左右，能夠有效提升礦井的作業(yè)價(jià)值創(chuàng)造能力。經(jīng)實(shí)例復(fù)采技術(shù)使用發(fā)現(xiàn)：證實(shí)復(fù)采工藝的作業(yè)可行性，值得推廣。