薛虎溝煤業(yè)小煤窯破壞區(qū)復(fù)采支護設(shè)計及工程實踐

王文俊

(霍州煤電集團有限責(zé)任公司，山西 霍州 031400)

霍州煤電集團河津薛虎溝煤業(yè)屬于河?xùn)|煤田鄉(xiāng)寧礦區(qū)，為資源整合礦井,由原山西河津薛虎溝煤業(yè)、原麻子溝煤礦整合而成。20世紀(jì)80年代中后期薛虎溝礦區(qū)遭受小煤窯掠奪式破壞性開采，由于小煤窯開采形成的老空、老巷縱橫交錯，遍布整個煤層，井田內(nèi)分布有大片煤層破壞遺留的殘煤，給礦井的安全生產(chǎn)構(gòu)成了嚴(yán)重的威脅。該煤業(yè)主采2#煤層為煉焦配煤，屬于首批稀缺煤種，現(xiàn)采2#煤層一分層大部分采空，二分層局部采空，資源回收率僅為30%.

因此，開展對薛虎溝煤業(yè)小煤窯破壞區(qū)的資源復(fù)采研究，對提高該煤業(yè)的經(jīng)濟效益，促進其可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

1 概 況

薛虎溝煤業(yè)位于呂梁山脈南緣，臨汾盆地的西南山地，汾河、黃河交匯的三角地帶，井田總體地勢東南部高，西北部低，地形最大相對高差+306.9 m.井田可采煤層共2層，分別為2#、10#煤層，分布穩(wěn)定，煤層傾角較緩，一般2°～7°，2#煤層特征表見表1.

表1 2#煤層特征表

據(jù)調(diào)查，薛虎溝煤業(yè)重組井田內(nèi)除上述原薛虎溝煤業(yè)有限公司和麻子溝煤礦外，在井田南部還分布有已關(guān)閉的陳家?guī)X村辦煤礦和3對私人開辦井口[1-2]，均對重組井田南部地段2#、10#煤層進行了開采，分布有大片開采破壞區(qū)。2-105工作面位于井田北部，地表位于陳家?guī)X村東北部，地面標(biāo)高+732～+830 m，煤層底板標(biāo)高+645～+656 m，蓋山厚度80～170 m.復(fù)采2#煤層平均厚度4.9 m，該煤層上分層已部分采空，下分層少量采空，采高3.2 m，正、副順槽長度790 m，切巷長200 m.工作面東南為麻子溝煤礦采掘區(qū)域，西南為2#煤南翼主運輸巷，西北為2-101回采工作面，東北距井田邊界30 m，復(fù)采過程空巷、采空區(qū)位置情況見圖1.

圖1 二分層復(fù)采過程過空巷、采空區(qū)位置情況圖

2 破壞區(qū)煤層復(fù)采類型劃分及應(yīng)力規(guī)律分析

2.1 煤層復(fù)采類型劃分

復(fù)采推進過程示意圖見圖2，在2#煤層二分層復(fù)采過程，遇空巷、采空區(qū)時，煤層的直接頂一分層煤層受小煤窯開采破壞已經(jīng)破碎垮落，基本頂也受到了一分層開采影響，由于基本頂巖性較硬，懸露變形斷裂垮落基本頂仍然會相互擠壓，并形成新的應(yīng)力分布[3-5].依據(jù)鄉(xiāng)寧礦區(qū)具體地質(zhì)條件、中厚煤層開采現(xiàn)狀,復(fù)采工作面與巷道布置情況劃分4種類型：平行煤巷型、垂直煤巷型、混合型、完全采空區(qū)型，見圖3.結(jié)合薛虎溝煤業(yè)2#煤層一分層開采后，二分層煤層巷道布置特征和過采空區(qū)、空巷特點，確定二分層復(fù)采主要為(過采空區(qū)、空巷)與煤柱垂直相間布置類型。

圖2 復(fù)采推進過程示意圖

圖3 小煤窯破壞區(qū)煤層復(fù)采類型分類圖

2.2 二分層復(fù)采過程影響分析

根據(jù)煤層采動引起回采空間周圍巖層應(yīng)力分布經(jīng)驗公式[6-7]:

式中，σx為水平應(yīng)力,σy為垂直應(yīng)力,τxy為切應(yīng)力，P為作用于下分層煤體上的載荷。根據(jù)該煤業(yè)2#煤地質(zhì)條件，取上覆巖層重量8.75 MPa，煤柱中最大應(yīng)力集中系數(shù)取4，煤柱寬度為20 m，得到底板不同水平截面應(yīng)力分布曲線，見圖4.

圖4 煤柱均布載荷下底板應(yīng)力分布曲線圖

由圖4可知，在底板不同深度水平截面上以煤柱中心點下部軸線處的垂直應(yīng)力為最大，距離采空區(qū)垂直距離越淺，應(yīng)力集中范圍越小，但集中程度越大。反之，距采空區(qū)垂直距離越深，應(yīng)力集中范圍越大，集中程度越小。水平應(yīng)力距采空區(qū)垂直距離越深，應(yīng)力集中范圍越大，隨遠離煤柱衰減速度緩和，峰值隨深度增加而衰減，同一水平截面的水平應(yīng)力峰值位置當(dāng)距煤柱較近時位于煤柱均布載荷中心點下部軸線處，當(dāng)距煤柱較遠時靠近煤柱邊緣出現(xiàn)兩個峰值，且峰值隨深度增加而趨于緩和。切應(yīng)力最大值位于煤柱的兩側(cè)邊緣，以煤柱中心點下部軸線處的切應(yīng)力最小為0.在底板不同深度各水平截面上切應(yīng)力隨深度增加變化趨于緩和。

3 分層復(fù)采巷道圍巖控制關(guān)鍵技術(shù)及支護設(shè)計

3.1 過空巷和采空區(qū)關(guān)鍵技術(shù)

掘進工藝：巷道沿底板掘進，因一分層為1.0 m左右復(fù)采松軟煤層或冒落松散矸石，開口采用人工掘進，掘進20 m后改用綜掘機施工。為防止綜掘機截割時造成頂板及迎頭煤壁垮落，使已破碎頂板整體塌陷，采用先割頂及兩幫，留出棚梁及棚腿位置，迎頭采用“留肚子”的掘進方法，有利于空頂處頂板及煤壁的控制。

注漿充填加固施工：安全檢查→臨時支護→施工鉆孔→注漿→掘進。在掘進中揭露老空巷或采空區(qū)，導(dǎo)致巷道頂板冒落，冒落體積較大時，采用礦用新型FSS化學(xué)加固材料對頂部空巷及破碎頂板進行注漿充填加固。

3.2 分層復(fù)采巷道圍巖控制支護設(shè)計

掘進支護：采用架棚支護，見圖5.

圖5 巷道斷面及支護圖

三心拱29U鋼棚，每架U型棚使用2根拉桿連接[5，6]，棚梁與棚腿搭接處各一根，棚梁與棚腿搭接500 mm，卡纜間距350 mm，卡纜螺栓扭矩不得小于180 N·m，棚距800 mm，柱窩深度200 mm，頂幫用方木背實。

切巷支護：采用錨網(wǎng)索+桁架、槽鋼聯(lián)合支護，見圖6.

圖6 切巷支護斷面圖

工作面切眼為矩形斷面，開口前3 m采用錨網(wǎng)索+桁架、槽鋼聯(lián)合支護，頂錨及老山側(cè)幫錨采用d20 mm×2 000 mm的左旋螺紋鋼錨桿，間排距900 mm×800 mm；工作面幫錨采用d16 mm×1 600 mm金屬錨桿，間排距為900 mm×1 600 mm；錨索采用d17.8 mm×9 200 mm的鋼絞線，間排距為1 500 mm×800 mm.

回撤通道：末采支護采用鋪雙層菱形網(wǎng)(12#×1 000 mm)，鋼絲繩d28 mm，錨索間排距600 mm×1 500 mm，視工作面頂板完好程度，確定末采長度、鋼絲繩數(shù)量及錨索排數(shù)。局部冒落區(qū)域采用“一梁一柱+馬麗散膨脹劑+錨索”支護，超高段采用支設(shè)貼幫柱、橫設(shè)木板梁與支架頂梁鏈接或在支架頂梁上采用槽鋼+方木的方式保證支架接頂，為回撤支架創(chuàng)造條件[7].

三角區(qū)及掩護架區(qū)域在支架抽出、調(diào)向期間，采用π梁+支柱進行臨時支護，對抽架期間頂破的菱形網(wǎng)進行封口。拉掩護架前期，采用木板梁+支柱對空頂區(qū)域臨時支護，掩護架到位后回撤掩護架兩幫支柱。

4 工程實踐

4.1 支護形式及巷道斷面參數(shù)

支護形式：三心拱29U鋼棚，棚距800 mm，每架U型棚使用2根拉桿連接，棚梁與棚腿搭接處各一根，棚梁與棚腿搭接500 mm，柱窩深度200 mm，巷道斷面參數(shù)見表2.

表2 巷道斷面參數(shù)表

循環(huán)進度為0.8 m，最大空頂距1.0 m，最小空頂距0.2 m.29U鋼棚采用短掘短支方式，掘進一架，支護一架。若前方大塊有垮落跡象，支護時應(yīng)適當(dāng)縮小棚距，并對支護進行加固，防止大塊摧棚。循環(huán)進度調(diào)整為0.6 m，最大空頂距0.8 m，最小空頂距0.2 m；每架設(shè)一架U型棚在直拱上部彎曲段加設(shè)一副單卡纜對支護進行加固。

4.2 現(xiàn)場支護效果

兩巷順槽掘進施工30 m，開始設(shè)置測站，之后每隔30 m設(shè)置一個測站，現(xiàn)場共布置兩個測站，同時在巖性和U型棚支護參數(shù)發(fā)生變化的位置均增設(shè)測面監(jiān)測[7]，監(jiān)測結(jié)果見圖7.在距工作面0～20 m表面位移表現(xiàn)最為劇烈，頂?shù)装遄畲笠平?0～25 cm，兩幫最大位移量10～15 cm，20～40 m為圍巖變形劇烈區(qū)，圍巖變形顯著；60 m以后，表面位移量逐漸變小，直至趨于穩(wěn)定，為圍巖變形穩(wěn)定區(qū)。

圖7 巷道監(jiān)測斷面變形量曲線圖

2-1051巷掘進50 m處遇空巷，頂部為空巷，頂板破碎現(xiàn)場空巷影響區(qū)域較大，過采空區(qū)期間采用巷道U棚進行了支護；2-1052巷掘進200 m處遇采空區(qū)，頂板破碎冒落區(qū)域較大，采用注漿充填加固。據(jù)統(tǒng)計掘進期間2-1051巷揭露小窯空巷和采空區(qū)13處，2-1052巷揭露9處。

5 結(jié) 語

在薛虎溝煤業(yè)井田內(nèi)小煤窯2#煤層破壞區(qū)一分層破壞和二分層賦存情況調(diào)查基礎(chǔ)上結(jié)合煤層復(fù)采4種類型，針對薛虎溝煤礦2#煤層復(fù)采主要為二分層過采空區(qū)、空巷與煤柱垂直相間布置類型，研究分析了過空巷和采空區(qū)期間圍巖控制關(guān)鍵技術(shù)及支護設(shè)計方案。對2-105工作面進行了復(fù)采工業(yè)性試驗，實踐證明兩巷使用U型棚支護和注漿充填加固采空區(qū)試驗效果良好，復(fù)采過程圍巖控制穩(wěn)定。