衰老礦井采空區(qū)上覆殘煤復(fù)采技術(shù)的探討

◎?qū)O剛

一、井田概況

曉南礦位于調(diào)兵山市東南方，距調(diào)兵山市中心15Km。地處遼寧省調(diào)兵山市的曉南鎮(zhèn)及鐵嶺縣的大青鄉(xiāng)和蔡牛鄉(xiāng)。其具體位置：北到薄家窩棚、姜家窩棚；南到礦工住宅區(qū)及蔣家洼子；西到左家崗子、汪荒地；東到宋荒地、前往戶屯、后往戶屯。

曉南礦北以FW3-13 號斷層為界與小青礦相鄰；南以煤層最低可采邊界線為界，上煤組局部以人為技術(shù)邊界與長鐵煤礦相鄰；西以 F3、F2、F35-1 號斷層為界與大興礦相鄰；東至 14 煤層最低可采邊界線。曉南井田南北走向長約5.35Km，東西寬約4.307Km，總面積約為23Km2。

曉南礦于1980年9月28日建成投產(chǎn)，煤炭資源逐漸枯竭，如何減少煤炭損失，把過去不能回采的煤炭采出，成為我們曉南人當(dāng)下的難題。

曉南礦東一采區(qū)位于曉南井田東部，井下F1-6 斷層以南，F(xiàn)20 斷層組以北，F(xiàn)19 斷層組、中央廣場煤柱和南翼運(yùn)輸大巷以東，東部以上含煤段4-2煤層和7-2煤層最低可采邊界線為界。東一采區(qū)于1983年開始回采，1995年7-2煤層回采結(jié)束，4-2煤層較薄，平均1.2m，由于受采煤設(shè)備限制，當(dāng)時(shí)不具備經(jīng)濟(jì)開采條件，現(xiàn)準(zhǔn)備對東一采區(qū)4-2煤層殘煤進(jìn)行回采。對原有不可采的煤炭資源進(jìn)行復(fù)采，是提高煤炭回收率的重要途徑，根據(jù)曉南礦現(xiàn)有井下開采條件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，布置殘復(fù)采工作面回收煤炭資源，可以有效緩解采掘接續(xù)緊張的問題。

二、殘復(fù)采工作面概況

曉南礦東一400 殘復(fù)采工作面位于東一采區(qū)東部，南以東一4 層中巷煤柱為界；北部為4-2煤層最低可采邊界；西部為FE10 斷層；東部鄰近FE119 斷層。工作面運(yùn)順長455m，回順長474m，工作面切眼170m，開采長度380m，回采面積64600㎡。開采高度1.66m，可采儲量15.9萬t。（圖1）

圖1 東一400 殘復(fù)采工作面平面圖

東一400 殘復(fù)采工作面所開采的煤層為一水平4-2煤層，平均厚度1.66m，其中夾泥質(zhì)砂巖，厚度0.49m～1.43m（圖2）。煤炭自燃發(fā)火期1～3個(gè)月。工作面總體為背斜構(gòu)造，背斜軸部走向24°～41°，兩翼傾角4°～7°，平均為6°。正斷層FE119、FE10 控制了工作面的布置。

圖2 東一400 殘復(fù)采工作面綜合柱狀圖

東一400 殘復(fù)采工作面下覆的7-2煤層已開采（東一713和東一715），已開采的2個(gè)工作面平均采高3.02m，回采時(shí)間為1989年1月至 1990年3月，4-2煤層與 7-2煤層間距 41.31～44.39m，平均層間距42.85m，煤層傾角5°，7-2煤層頂板以粉砂巖、砂礫巖為主，東一400 工作面下部7 層老空區(qū)情況見表1。

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三、采空區(qū)上部煤層殘復(fù)采可行性分析

結(jié)合上行開采的理論研究和生產(chǎn)實(shí)踐，下部東一713 和東一715 開采后，采空區(qū)上部4-2 煤層是否被破壞，是探討進(jìn)行殘復(fù)采是否可行的主要問題。進(jìn)行分析的主要方法有比值判別法、圍巖平衡法、“三帶”判別法、經(jīng)驗(yàn)對照法等。

1.比值判別法。

利用以下公式進(jìn)行計(jì)算比值：

其中：H—上下煤層之間的垂距，41.31m；

M—下煤層平均采高，取3.0m。

計(jì)算得K=13.77＞6.5，上行開采的理論研究和生產(chǎn)實(shí)踐證明，當(dāng)比值＞6.5 時(shí)，先采下部東一713 和東一715 工作面不會對上部煤層造成很大影響。

2.圍巖平衡法分析。

根據(jù)煤礦開采圍巖移動(dòng)變形、圍巖平衡規(guī)律研究，保證上覆煤層安全開采利用下式進(jìn)行計(jì)算：

式中M —下覆煤層平均采高，3.02m；

K1—巖石碎脹系數(shù)，7-2煤層頂板為粉砂巖、砂礫巖為主，K1=1.2；

h—平衡巖層本身厚度，根據(jù)頂板賦存情況，按綜合柱狀圖估算取7m。

經(jīng)計(jì)算，下部采空區(qū)和上部待采煤層間距必須大于22m，東一400 殘復(fù)采工作面最小間距41.31m，布置殘復(fù)采工作面回收煤炭資源結(jié)果可行。

3.“三帶”判別法論證。

先采下部東一713 和東一715 工作面，工作面回采冒落后，往上將依次形成垮落帶、導(dǎo)水裂隙帶、彎曲變形帶。

根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)范》中垮落帶和導(dǎo)水裂隙帶高度計(jì)算公式計(jì)算如下：

（1）垮落帶高度的確定：

（2）導(dǎo)水裂隙帶高度的確定：

式中：M——下覆煤層平均采高；

從公式（3）和（4）的結(jié)果來看，下部7-2煤層回采之后，垮落高度為9.1m，導(dǎo)水裂隙帶的影響高度為41.3m，布置殘復(fù)采工作面回收煤炭資源正位于導(dǎo)水裂隙帶影響邊界，會對4-2煤層完整性造成一定的影響，但不會對煤層的連續(xù)性產(chǎn)生破壞。

4.經(jīng)驗(yàn)對照法.

通過科學(xué)管理，曉南礦對西三采區(qū)殘煤復(fù)采綜采工作面順利回采結(jié)束。兩個(gè)采區(qū)的地質(zhì)情況相近，且兩煤層間距約37.01m。對整個(gè)生產(chǎn)過程進(jìn)行分析，經(jīng)過6年時(shí)間下部采空區(qū)圍巖基本穩(wěn)定。

根據(jù)以上幾點(diǎn)經(jīng)過分析論證，而且下覆工作面回采至今已30年，圍巖移動(dòng)處于穩(wěn)定階段，可以進(jìn)行采掘活動(dòng)，采空區(qū)上覆東一400 殘復(fù)采工作面進(jìn)行綜合機(jī)械化開采是可行的（圖3）。

圖3 開切眼預(yù)想剖面圖

四、工作面巷道支護(hù)方式選擇

1.巷道斷面及支護(hù)形式。

東一400 工作面運(yùn)順、回順和聯(lián)絡(luò)道斷面均為寬5000mm，高2800mm 矩形巷道、開切眼斷面寬為7000mm，高2800mm矩形巷道，所有巷道均采用錨網(wǎng)（索）+鋼筋梯的聯(lián)合支護(hù)方式。

2.巷道支護(hù)參數(shù)。

東一400 工作面頂板錨桿采用φ22mm，長度為2200mm的全螺紋等強(qiáng)錨桿，裝藥量CKZ23120 樹脂藥卷1 支，錨固力不小于100kN；幫錨桿均采用φ22mm，長度為2000mm 的全螺紋等強(qiáng)錨桿，裝藥量為Z2370 樹脂藥卷1 支，錨固力不小于50 kN；錨桿間距和排距均為900mm；錨索采用φ21.8，長度為5200mm 的鋼絞線，排距為1800mm，運(yùn)順、回順和聯(lián)絡(luò)道均采用“2-0-2-0”布置方式，間距為1800mm，裝藥量為Z2370 樹脂藥卷2 支，錨固力不小于180kN。開切眼斷面錨索采用“3-0-3-0”布置方式，打兩排中心頂子（或單體液壓支柱）加強(qiáng)頂板支護(hù)。

圖4 巷道支護(hù)斷面圖

五、巷道掘進(jìn)施工探查情況

1.掘進(jìn)施工探查。

受下覆東一713、東一715 工作面采動(dòng)影響，4 煤層巖層完整性已遭到破壞，頂板出現(xiàn)裂隙、離層，但經(jīng)30年時(shí)間的采后充實(shí)應(yīng)該形成再生底板。

東一400 工作面巷道探查施工于2020年6月25日開始施工，施工中特別加強(qiáng)頂、底板管理。采用綜掘，全斷面一次成巷，支護(hù)材料采用錨桿、錨索、金屬網(wǎng)、鋼帶聯(lián)合支護(hù)（見圖3）。在日常掘進(jìn)過程中加強(qiáng)施工質(zhì)量管理。巷道中間每隔10m 用Φ200mm 圓木打一信號頂子，以便隨時(shí)觀察頂板壓力變化情況，及時(shí)采取補(bǔ)強(qiáng)措施。底板每隔10～15m 向下覆7-2采空區(qū)打探眼，以確定4-2煤層與7-2煤層采空區(qū)之間厚度及底板是否壓實(shí)及瓦斯賦存情況，采取措施，充實(shí)采空區(qū)，防止瓦斯?jié)B出，頂板壓力明顯地段或頂板破碎段及時(shí)采取架設(shè)金屬棚的聯(lián)合支護(hù)方式。通過采取多種加強(qiáng)支護(hù)形式，東一400 綜采工作面安全掘進(jìn)貫通。經(jīng)觀測，頂板離層值最大沒超過30mm，兩幫表面位移量不超過80mm，保持了圍巖的穩(wěn)定性，具備綜合機(jī)械化采煤的條件。

2.煤層頂、底板完整程度及連續(xù)性判定。

通過東一400 工作面運(yùn)、回順的掘進(jìn)施工實(shí)踐可以看出，4煤層層理、煤巖層結(jié)構(gòu)均沒有發(fā)生大的錯(cuò)動(dòng)現(xiàn)象，處于穩(wěn)定下沉狀態(tài)，而與下覆煤柱區(qū)過渡的相交點(diǎn)也只是煤層起伏發(fā)生變化，而煤層的連續(xù)性基本上沒有遭到破壞。

六、生產(chǎn)實(shí)踐

1.“一通三防”安全管理。

采空區(qū)上覆殘煤復(fù)采主要優(yōu)點(diǎn)就是可以有效地釋放上覆煤層的瓦斯和泄出上覆煤體內(nèi)的水。采面掘進(jìn)、開采期間加強(qiáng)瓦斯管理，對下覆東一713、東一715 采空區(qū)進(jìn)行打鉆，一是探明下層的充實(shí)情況，如果鉆孔沒有返水現(xiàn)象，說明下層已充實(shí)，而下覆充實(shí)時(shí)瓦斯賦存也較少；二是對下層瓦斯進(jìn)行抽放，有效減少下覆采空區(qū)瓦斯向上層涌出。同時(shí)對東一400 工作面上覆和本層煤層進(jìn)行瓦斯抽放，控制工作面瓦斯?jié)舛?，避免瓦斯超限事故發(fā)生。

2.回采技術(shù)管理。

（1）采煤工藝。

本工作面采用走向長壁后退式一次采全高的綜合機(jī)械化采煤方法，全部垮落法管理采空區(qū)頂板。雙滾筒采煤機(jī)割煤→移液壓支架→推移刮板運(yùn)輸機(jī)。在頂板破碎時(shí)，采取帶壓擦頂及時(shí)移架方式，如煤壁片幫超寬采取超前移架方式。采用MG300/701-WD 型采煤機(jī)落煤，滾筒截深800mm。

采煤機(jī)螺旋滾筒配合SGZ800/800 型刮板運(yùn)輸機(jī)鏟煤板裝煤。采用SGZ800/800 型刮板運(yùn)輸機(jī)、SZZ800/315 型轉(zhuǎn)載機(jī)和膠帶輸送機(jī)配合運(yùn)煤。采用ZZG6400/17/35 型和ZZ6400/17/35 型液壓支架支護(hù)工作面頂板。ZZG6400/17/35 型液壓支架最大控頂距5951mm，最小控頂距5151mm。ZZ6400/17/35 型液壓支架最大控頂距5451mm，最小控頂距4651mm。

（2）頂板管理。

工作面自1月16日開始回采，推進(jìn)9米后，直接頂初次跨落，推進(jìn)35米時(shí)，基本頂初次來壓，周期來壓步距為12-15米。

頂板管理措施：工作面回采期間，兩巷超前支護(hù)20m 范圍內(nèi)受采動(dòng)的影響，應(yīng)力比較集中；工作面位于東一713、東一715采空區(qū)上方，工作面及兩巷超前支護(hù)有明顯的礦壓顯現(xiàn)工作面初次來壓和周期來壓期間，地質(zhì)部門做好來壓的預(yù)測預(yù)報(bào)。工作面液壓支架要達(dá)到初撐力，支護(hù)狀態(tài)要良好，保證有效支護(hù)頂板。加強(qiáng)前后端頭頂板控制，頂板破碎處及時(shí)補(bǔ)打單體液壓支柱或背大柈棚支護(hù)。加快推進(jìn)速度，減小控頂距，嚴(yán)禁空頂作業(yè)。在頂板破碎的地段，為了有效地防止頂板冒落，控制煤壁片幫，采取帶壓擦頂移架；在工作面局部片幫嚴(yán)重地段，采取超前移架，及時(shí)支護(hù)頂板，必要時(shí)要挑工字鋼或圓木。

加強(qiáng)動(dòng)態(tài)監(jiān)測：工作面共計(jì)安設(shè)12 塊無線礦壓監(jiān)測儀，分別 安 裝 在 5#、15#、25#、35#、45#、55#、65#、75#、85#、95#、105#、115#液壓支架上。從而實(shí)現(xiàn)監(jiān)測液壓支架工作阻力情況。每次移架后要搞好礦壓觀測，并由工程地測大隊(duì)礦壓組收集數(shù)據(jù)，進(jìn)行整理。定期觀測頂板下沉量，工作面上下兩巷每50m 設(shè)置觀測站，在觀測站距工作面50m 內(nèi)，每天由施工單位觀測一次，如發(fā)現(xiàn)圍巖變形較大，數(shù)據(jù)變化劇烈或異常，應(yīng)及時(shí)匯報(bào)工程地測大隊(duì)并采取相應(yīng)措施，其它觀測站每15天觀測一次。觀測圍巖表面收斂量及圍巖變化狀況。所有觀測結(jié)果均沒有超過界限值，保證了正常開采。

七、效益分析

1.經(jīng)濟(jì)效益。

東一400 工作面殘煤復(fù)采將過去無法開采的煤炭進(jìn)行回采，可多回收煤炭約15.9萬噸，根據(jù)礦井現(xiàn)狀估算經(jīng)濟(jì)效益約28.14 元/t，因此多回收煤炭計(jì)算效益為：

式中：A——為工作面利潤，萬元；

Q——為工作面儲量，t；

r——噸煤利潤，元/t。

2.社會效益。

可以有效減少資源損失浪費(fèi)，緩解礦井的采掘接續(xù)，而且創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)積累相關(guān)技術(shù)資料，對東一采區(qū)其他殘復(fù)采工作面的安全開采，具有一定的指導(dǎo)意義。

八、結(jié)語

實(shí)施采空區(qū)上覆殘煤復(fù)采技術(shù)，可以有效減少資源損失浪費(fèi)，緩解衰老礦井的采掘接續(xù)，而且可以延長其服務(wù)年限，并且創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)積累相關(guān)技術(shù)資料，對本礦東一采區(qū)其他殘復(fù)采工作面的安全開采和相同地質(zhì)條件下的礦井具有一定的指導(dǎo)意義。