興盛園煤礦綜采安全保障技術研究

韓新明，王 飛

（1.太原理工大學 礦業工程學院，太原 030024；2.山西焦煤霍州煤電集團 興盛園煤業有限責任公司，山西 霍州 031400）

1 興盛園煤礦1-101綜采工作面概況

1-101 綜采工作面是礦井設計的首個回采工作面，采用綜合機械化開采方式。1-101工作面設計走向長度780 m，傾向長度220 m。1號煤層為簡單結構，煤層厚度為 0.35～2.35m，均厚1.54m，煤層傾角3°～10°。工作面地質儲量34萬t，可采儲量32.3855萬t。

根據收集17號小煤窯的資料顯示，1-101工作面初采范圍內下部2號煤層為小煤窯房式采空區，預計小煤窯采空區范圍約12.6萬m2，積水量約為8萬m3。采空區邊界離1-101工作面最小平距為140 m左右。但單從收集資料只能作為參考，不能顯示真實的采空區范圍。

根據1-101工作面掘進巷鉆探資料顯示，判斷出1-101工作面前方距設計切巷位置110 m范圍內2號煤已經被采掘。1號、2號煤層間距在11～13 m之間，1號、2號煤厚度均為1.6 m左右，鉆孔出水在距底板垂深6～8 m之間，局部區域僅為3～4 m，部分鉆孔同伴隨著H2S等有害氣體涌出。

2 問題的提出

基于以上地質及開采技術資料，認為1-101工作面在初采期間或將面臨嚴重的安全問題，且其不確定性較為突出，分析如下：1）開采理論依據與參考案例少，極近距離房式采空區上綜合機械化長壁開采理論及實踐極為少見[1]，缺少成熟的參考案例。2）關鍵地質資料缺乏，2號煤層不規則房式采空區分布狀態，殘留煤柱穩定性狀態[2]，采空區含水及瓦斯狀態不明。3）不穩定底板或出現開裂、臺階下沉等異常礦壓，根據理論分析和現場鉆孔實測，2號煤層采空區上局部區域的完整層間層厚度小于8 m，并將再次承受上部煤層劇烈采掘擾動，或引起底板開裂、頂底板臺階下沉等異常礦壓。4）采空區瓦斯潛在危害，下部采空區瓦斯或將沿層間裂隙通道涌向回采工作面，導致局部瓦斯超限或風流紊亂。5）水害防治形勢不明朗，底板采空區大量積水，且充水情況不明；首采區煤層位于奧灰水下，兩煤層均采空后，導水裂隙帶充分發育，或形成導水通道。

綜合以上分析，為確保1-101工作面初采期間安全順利推進，極有必要弄清初采區域下部不規則房式采空區分布及其富水狀態，進而深入、系統地研究極近距離煤層上行開采過程中圍巖應力及結構的演化特征，重點分析1號煤層底板巖層移動變形規律，及其與綜合機械化采煤方法的適應性，根據研究結論制定可能異常礦壓顯現的應對措施，改善回采工藝，最終探索出一種適用于類似條件下的不規則房式采空區上部煤層綜合機械化開采的安全保障技術。

3 課題技術方案及技術路線

1）研究現狀調研與資料收集。系統調研興盛園煤礦地質、勘探、水文及采掘資料，充分利用研究區域內地面鉆探、工作面鉆探等各種探測數據及相關研究成果，為本項目的開展提供充分、可靠的基礎數據。

2）理論分析。綜合分析1號煤層和2號煤層現有的地質及開采技術資料，全面分析不規則房式采空區上部煤層回采過程中安全性影響因素，包括層間巖層結構，層間巖體物理力學性質，2號煤層采空區分布狀態，1號煤層采煤方法，1號煤層礦壓顯現，浸水效應、時間效應等[3]。

3）實驗室試驗。現場采集1號煤層、1號煤層頂底板、2號煤層、2號煤層頂板的煤巖樣，并運輸至煤炭科學研究總院開采設計事業部實驗室進行物理力學參數測試，主要包括抗壓強度、抗拉強度、彈性模量、泊松比、凝聚力、內摩擦角、含水率、視密度等參數測試。

4）數值仿真模擬。對于影響1-101工作面安全回采最關鍵是2號煤層采空區上工作面底板巖層的穩定性，本項目中采用數值模擬方法針對不同情況進行研究。具體模擬方案為包括1號煤層未采動及采動時，不規則房式采空區覆巖變形、破壞特征研究。

5）采空區范圍綜合探測。為探測出2號煤層采空區大致分布范圍，項目綜合采用反射波法地震勘探、地震CT技術及現場底板鉆探等手段進行研究。堅持物探先行，鉆探驗證，先治后采，監測監控，預警應急處理的總體方針。

4 治理方案設計

針對1-101工作面底板破壞區域，采取了排水降壓和注漿加固相結合的安全保障措施。排水降壓主要用于降低水位高度，降低底板水頭壓力；注漿措施主要對探測出底板破壞區域進行采空區覆巖加固，提高承載能力和隔水性能[4]。

該方案有兩個創新點：1）首次采用地震初至波走時CT實現了對回采工作面底板巖層結構破碎區進行探測。2）基于現場實測，得出巷道軟底區域與底板采空區域反射地震波響應特征差異：軟底區域反射波同向軸變粗且到時滯后；采空區域反射波同向軸到時基本不變，但其波形及續至波畸變更為顯著。

5 結束語

本項目形成的實用技術可為該地區的礦井整合與技術改造提供堅實的技術依據和保障，消除安全隱患，提高整合礦井建設速度，為安全生產提供有利的技術支撐與保障。

[1]余耀峰，張仲春，楊洪濱.近距離煤層群上行開采的研究與應用[C]//礦山建設工程新進展——2007全國礦山建設學術會議文集.西安：西安地圖出版社，2007.

[2]張百勝.極近距離煤層開采圍巖控制理論及技術研究[D].太原：太原理工大學，2008.

[3]馮國瑞.殘采區上行開采基礎理論及應用研究[D].太原：太原理工大學，2009.

[4]高維宇，李德元.近距離累煤層上行綜合機械化開采實踐[C]//第四屆全國煤炭工業生產一線青年技術創新文集.北京：煤炭工業出版社，2009.