采空區下特厚煤層綜放開采技術實踐

尚雁文，于洋

（1.同煤國電同忻煤礦有限公司，山西大同 037001；2.同煤集團忻州窯礦，山西大同 037021）

采空區下特厚煤層綜放開采技術實踐

尚雁文1，于洋2

（1.同煤國電同忻煤礦有限公司，山西大同 037001；2.同煤集團忻州窯礦，山西大同 037021）

通過對同忻礦石炭系3-5號層8107綜放工作面地質條件的分析，確定了合理的開采工藝，解決了采空區積水防治、上覆采空區CO氣體下泄、防滅火等問題，使工作面回收率達94%，實現了高產高效。

特厚煤層；綜放開采；采空區積水；CO氣體下泄；防滅火

同忻礦現開采石炭系3號-5號煤層，該煤層位于侏羅系煤層之下，為一特厚煤層，采用綜采放頂煤開采。3號-5號煤層屬易自燃煤層，自然發火期3～6個月。上覆侏羅系煤層群存在多層采空區，采空區積水、瓦斯、煤炭自燃等災害，增加了石炭系煤層防治水、火、瓦斯的難度。

1 工作面情況

1.1 地質概況

同忻礦石炭系3號-5號煤層8107工作面平均走向長度1 709 m，傾向長度200 m，煤層厚度12.79～19.55 m，平均厚度15.32 m。煤層中以半亮型煤為主，半暗型煤次之，弱玻璃到玻璃光澤，塊狀，參差狀或階梯狀斷口，內生裂隙發育，夾有鏡煤條和薄層暗煤，較破碎，易塌落，為復雜結構，煤層含夾石6層左右。工作面基本頂為粉、細砂巖、中砂巖、含礫粗砂巖，直接頂為粗砂巖，直接底為炭質泥巖。

1.2 巷道布置

8107工作面為一進二回三巷布置，其中2107巷、5107巷沿3號-5號煤層底板布置，8107頂抽巷沿3號-5號煤層頂板穩定巖層布置。三條巷道均為矩形斷面，使用錨、網、索聯合支護。2107巷為運輸、進風巷，巷道凈寬5 300 mm，凈高3 600 mm；5107巷為運料、回風巷，巷道凈寬5 300 mm，凈高3 700 mm；8107頂抽巷凈寬3 600 mm,凈高2 700 mm，與5107巷內錯20 m布置，為工作面專用抽瓦斯巷。8107工作面巷道布置示意圖，見圖1。

2 開采工藝

根據3號-5號煤層賦存條件、頂板巖性及頂煤冒放性等因素，工作面采用走向長壁后退式低位放頂煤開采工藝。經計算，液壓支架選用ZF15000/ 27.5/42型中支架，ZF13000/27.5/42型過渡架、中支架支架支撐高度為2.75～4.2m，工作阻力15 000 kN，支護強度1.46 MPa。與中部支架相適應，選擇ZFG13000/27.5/42H型低位放頂煤過渡支架和ZTZ20000/30/42型端頭支架。采煤機選用Eickhoff SL-500型，最大采高5.24 m，截深800 mm，功率1 715 kW，產煤能力2 700 t/h；前、后刮板輸送機選用JTAFC1050型，功率均為2x1 050 kW，前刮板輸送機運煤能力2 500 t/h，中部槽寬1 000 mm，后刮板輸送機運煤能力3 000 t/h，中部槽寬1 250 mm；轉載機選用JBSL600型，功率600 kW，運煤能力3 500 t/h；破碎機選用JCRSH400型，功率400 kW，破碎能力4 250 t/h；皮帶機選用DSJ1400/3x500型，功率3x500 kW，運煤能力3 500 t/h；乳化液泵選用BRW400/31.5型，功率250 kW，公稱壓力31.5 MPa。

放煤步距,放頂煤方式采用一刀一放多輪順序放煤，循環進度、放煤步距均為0.8 m。

采放比,工作面采用一次采全高放頂煤開采，機采高度為3.9 m，放煤厚度為11.42 m，采放比1∶2.9。

放頂煤方法,采用多輪順序放煤。采煤機割完煤移過支架后，滯后移支架5～8架開始放煤，第一個人從2號支架開始，按照2號、3號、4號……順序放第一層煤（每層放2 m左右厚），第二個人與第一個人相距5個支架同樣按照2號、3號、4號……順序放第二層煤（每層放2 m左右厚），第3人和第4人到第5人也按照前兩人的方法順序放煤，之后再折返進行放煤，重復多次，直到把頂煤放完，見矸關窗。多輪順序放煤方法適用于煤層厚度大于10 m的工作面，可保證煤流均勻，減少運輸系統過載而停機，開機率高；各層頂煤有時間間隔，上部頂煤有充分的受壓破碎時間，易自然垮落，放煤效果好，回收率高；分層順序放煤，可避免或大大地減少頂板矸石混入煤流[1]，提高煤質，避免了大塊矸石堵塞運輸系統而造成機電事故。

3 上覆侏羅系采空區對石炭系3號-5號煤層開采的影響

為掌握3號-5號煤層開采后頂板運移規律，同忻礦在8100工作面采空區對應地面施工電視鉆孔，對采空區三帶進行觀測。地面電視觀測鉆孔距離2100運輸順槽32 m，該處煤層厚度約為13 m。通過觀測，分析得出垮落帶上部邊界距煤層頂板65 m，裂隙帶頂部距離煤層頂板105 m，高度約40 m。根據分析，石炭系3號-5號煤層開采后垮落帶高度105 m左右，與侏羅系之間可以通過裂隙帶溝通，雙系之間有堅硬厚的巖層，可以形成穩定的平衡拱。石炭系3號-5號煤層開采后，上覆侏羅系采空區積水、CO等有害氣體會向石炭系3號-5號煤層運移。3號-5號煤層頂板遠移示意圖，見圖2。因此在3號-5號煤層開采前，必須探明上覆侏羅系采空區積水、煤層自燃情況，以采取有效防范措施。

4 采空區積水防治措施

8107工作面上覆為煤峪口礦侏羅系9號、11號、14號煤層采空區，地表水、砂巖裂隙水、構造裂隙水、火區灌漿水、開采中的噴霧灑水等原因，使得在采空區地勢低洼區可能有積水賦存[2]，且因礦坑不再進行排水，使得采空區內的積水范圍和積水量不斷擴大，對3號-5號煤層的開采帶來很大隱患。

為防治上覆采空區水患，在8107工作面開采前，先利用地面瞬變電磁法對全工作面范圍進行物探，通過物探勘查，在查明8107工作面上覆為侏羅系采空區積水范圍和積水量的基礎上，合理布置探放水鉆孔位置，通過探放水鉆孔將采空區積水排出地表。

瞬變電磁探測使用的儀器是加拿大鳳凰公司生產的V8多功能電法儀，接收機兩套，接收線框6個。圖3為三層采空區中層位最低的14號煤層TEM等視電阻率平面圖，其阻值變化較大，電阻率值介于100 Ω·m～700 Ω·m之間，高阻區域（粉色、紅色）多為采空區；低阻區域（藍色）多為采空塌陷裂隙富含礦物質水，測區平面未見明顯的低阻采空區積水異常。上部9號、11號煤層測區平面也未見明顯的低阻采空區積水異常。

通過物探成果分析，推斷9號、11號、14號煤層已被大范圍采空，且各層采空區內無明顯的積水異常區，須在采空區低洼處施工鉆探放水孔進一步驗證。在2107巷對應地面施工探放水孔2個，井下分別位于從輔運巷口往里410 m及1 670 m處，確定該區無積水現象。5107巷對應地面施工探放水孔1個，井下位于從輔運巷口往里約1 030 m處，該采空區無積水現象。通過鉆探，驗證了8107工作面上覆侏羅系采空區無積水。

5 防治上覆采空區CO下泄措施

根據對工作面采空區裂隙帶高度分析，工作面放煤后與上覆采空區塌通，形成漏風通道，同時由于工作面采用抽放方法進行瓦斯治理，導致上覆采空區CO等有害氣體下泄，嚴重威脅工作面正常開采。為有效治理上覆采空區CO下泄，故8107工作面采用均壓通風系統。采用調節風窗與調節風機聯合均壓方式，8107工作面均壓通風系統示意圖，見圖4。通過調節風窗和調壓風機聯合工作，能夠有效提高綜放工作面風壓，使綜放面風壓與上覆采空區氣體壓力相平衡，從而達到防止上覆采空區CO下泄的目的。具體實施步驟如下：a.首先在進風巷側實施專用均壓專用措施巷，用于放置風機及鐵質風筒，并在巷內施工一道密閉墻，墻體上砌筑三趟鐵風筒和一個調節風窗，將三組風機與風筒安裝好；b.在進風斜巷和回風繞道內各施工三道均壓風門，風門間距能滿足現場要求，均壓風門間設置閉鎖報警裝置；c.在回風巷施工三道均壓調節，間距能滿足現場要求，并設置閉鎖報警裝置；d.待以上工作完成后，開啟局部通風機，利用回風巷均壓調節風窗調整回風巷風壓和風量，從而達到均壓、調風的目的。

8107工作面當2107巷推進127.6 m，5107巷推進129.1 m時，工作面采空區與上覆采空區導通，造成8107工作面CO氣體濃度超限，上隅角CO氣體濃度最大達106x10-6。監測到CO濃度超限后，及時開啟了均壓通風系統，經過2個多小時的均壓通風，工作面氣體便恢復正常，上隅角CO濃度穩定在6x10-6以下，風量為2 100 m3/min，進風壓差785 Pa，回風壓差863 Pa，保證了通風系統的穩定。

6 防滅火措施

因放頂煤工作面煤層厚度大，采空區遺煤多，巷道斷面大，8107工作面配風量較大，為2 319 m3/min，故遺留在采空區的浮煤極易氧化自燃，必須采取綜合防滅火措施防止煤炭自燃。

6.1 采空區注氮

當氮氣注入采空區后，在不改變采空區內部氣體壓力場分布的情況下，氮氣的充入降低了采空區內部氧氣的濃度，從而達到惰化采空區并抑制采空區自然發火的目的[3]。

8107工作面采用預埋雙管注氮工藝。具體方法是：在8107工作面的進風側沿進風順槽埋設1趟注氮管路。當埋入采空區20 m后開始注氮，同時又埋入第二趟注氮管路。當第二趟注氮的管口埋入采空區20 m時向采空區注氮，同時埋設第3趟注氮管路，當第一趟管路埋入采空區60 m時停止注氮。如此循環，直至工作面采完為止。注氮管口的錯距定為20 m。

6.2 減少采空區漏風量防滅火

a.減少工作面供風量和壓差防止自然發火。在滿足瓦斯排放的最小風量的條件下，確定了工作面最佳風量。

b.堵漏防滅火。在漏風壓差固定的條件下，采空區的漏風量與其滲透系數成正比。在工作面進回風側進行封堵，減少工作面漏風通道，增大工作面氣密性，進而減小工作面采空區松散煤巖的滲透系數。在進、回風側沿工作面推進方向上錯位布設粉煤灰墻，墻體的具體尺寸視采空區垮落程度；在具體布設時，進風側在距離工作面煤壁3～5 m的采空區布設粉煤灰墻，其后每隔一天布設一道墻，根據工作面每天推進度而言，具體距離為8～12 m；回風側和進風側每兩天交替各布設一堵粉煤灰墻。

6.3 加快工作面推進速度防滅火

推進速度加快，使得遺煤在氧化升溫帶的時間縮短，采空區遺煤還沒有充分氧化就進入了窒息區，氧氣濃度下降，氧化強度逐漸減弱直至停止。

采用束管對工作面溫度、CH4濃度和CO濃度的進行了連續監測，進而得到采取該綜合防滅火措施的實施效果。

7 開采效果

7.1 取得的效果

8107工作面開采歷時8.2個月，共計推進1 424 m，平均日推進5.8 m，日循環數0.73個。基本頂初次來壓步距107.5 m，周期來壓66次，周期來壓步距平均19.9 m。工作面共生產原煤875.8萬t，月均產煤106.8萬t，回收率達94%。

7.2 存在的問題

a.頂煤完整性較差，頂板較酥軟，液壓支架初撐力有時不能達到要求，當采空區大面積垮落時，易將支架摧前，導致前伸梁千斤、護幫千斤、支架后擺梁千斤損壞。

b.工作面來壓前后，煤壁片幫大，機道頂煤局部破碎，易出現支架前頂煤冒落現象。須超前移架，及時將支架升緊、升平。

c.因開采強度大，臨空巷壓力大，巷道底鼓、幫鼓及頂板下沉嚴重，超前支護范圍內巷道變形嚴重。

8 結束語

通過8107放頂煤工作面開采實踐，逐步解決了工作面上覆采空區積水防治、CO等有害氣體下泄防治、防滅火等技術難題，初步掌握了采空區下特厚煤層一次采全高放頂煤開采技術，為同類條件工作面開采提供了可借鑒經驗。

[1]孟憲臣，王永祥.煤礦開采方法[M].徐州：中國礦業大學出版社，2007.

[2]王培盛，閻志義，聶秀英.大同礦區采空區積水的預測與防治[J].煤礦安全，2003，34（7）：26-28.

[3]孟凡龍.大同塔山礦石炭系特厚煤層綜采放頂煤工作面防火技術實踐[J].煤礦安全，2008，39（7）：44-47.

Fully-mechanized Mining in Ultra-thick Seam under Goaf

SHANG Yanwen1，YU Yang2
(1.Tongxin Mine,Datong Coal Mine Group,Datong 037001,China; 2.Xinzhouyao Mine,Datong Coal Mine Group,Datong 037021,China)

The analysis on the geological condition of 8107 fully-mechanized mining face among No. 3-No.5 carboniferous seam determined the rational mining technology to solve problems,including:water control in goaf,CO discharge in overlying goaf,and fire control,which increased the recovery rate to 94% and realized efficient production in Tongxin Mine.

ultra-thick seam;fully-mechanized mining;goaf water;CO discharge;fire control and prevention

TD823.8

A

1672-5050（2015）02-0024-04

10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2015.02.009

（編輯：劉新光）

2015-01-21

尚雁文(1973-)，男，山西大同人，大學本科，工程師，從事煤礦開采技術工作。