峁底煤礦老窯破壞區殘煤復采工藝研究

張 童

(華潤煤業(集團)有限公司，山西省太原市，030006)

20世紀90年代以前，我國煤炭工業的發展受開采工藝、裝備制造能力和人員素質等方面的限制，多數井工煤礦采用巷柱式、房柱式或刀柱式等方法進行開采，資源回收率僅29%左右[1-2]。受采空區遺留煤柱、邊角煤和水、火、瓦斯等致災因素的影響，復采工作面條件復雜。雖然國內外不少煤炭專家和技術人員針對短壁綜放、高檔普采放頂煤、短壁炮采、綜采放頂煤等不同類型復采工藝進行了研究和探索[3-4]，但由于老窯破壞區積水、積氣、頂板、底板等地質條件復雜，工程實踐較少，現有的老窯破壞區復采理論和技術還遠不能夠滿足復雜條件下特厚煤層殘采區的煤炭資源安全高效回采。

山西呂梁峁底煤礦根據礦井生產規劃和正常采掘接替，后續工作面要布置在老窯的“老空老巷”破壞區下，一定程度上給礦井的安全高效開采帶來較大困難，主要體現在老窯的“老空老巷”破壞區分布范圍不清、層位不明，回采過程中存在較大安全隱患；老窯破壞區煤層由于經過采動破壞，導致礦山壓力顯現規律復雜等。因此，老窯破壞區下安全高效開采是該礦亟待解決的難題。

1 礦井概況及復采研究區域范圍

1.1 礦井概況

峁底煤礦位于山西興縣縣城東南5 km處，為整合礦井，井田面積5.5105 km2，產能0.9 Mt/a，主采13#煤層平均厚度12.08 m，平均傾角8°，頂板為粗砂巖、泥巖，底板為泥巖，水文地質類型為中等，屬低瓦斯礦井，易自燃煤層。礦井采用斜—立混合開拓方式，即主斜井、副斜井和回風立井。礦井采用中央并列式通風，主、副斜井進風，回風立井回風。

1.2 復采研究區域

峁底煤礦的一采區、二采區13201和13202工作面已回采完畢，13203工作面目前正在回采，其北側的13204及13025工作面等均在老窯破壞區內。將二采區13203工作面北側、煤礦發火區以南、一采區東側至井田邊界的區域定義為復采研究區域，面積為1.16 km2。

2 研究區域老窯破壞區分布和積水、積氣情況

通過對老窯開采圖紙和相關資料分析，結合地質勘查、現場探測及揭露情況，確定了老巷分布、老窯開采層位及采空區分布情況，空巷位置及老窯采空區分布如圖1所示。

2.1 研究區域老窯破壞區分布情況

2.1.1 老巷分布和開采層位

圖中藍色粗實線均為13202、13203工作面在巷道掘進過程中揭露的多條老巷。老巷為矩形斷面，斷面尺寸約為3 m×2.5 m，布置在煤層中部，距回采巷道頂板平均為2.2 m，距煤層底板平均為5.4 m。

2.1.2 老空區分布情況

根據收集到的老空區資料對老空區進行編號，并對破壞面積進行了統計。根據已探明老巷的層位和標高判斷該礦老巷沿煤層中部布置，距煤層底板平均5.4 m，推測該礦主要開采13#煤層上部厚度平均為6.68 m(含夾矸)的煤炭資源。研究區內老空區總面積0.395 km2，采出率約為18.4%。

2.2 研究區域積水、積氣情況及其防治措施

2.2.1 研究區域積水情況及其防治措施

以地面瞬變電磁法所采集的資料為基礎，對測區內13#煤層附近位置的相對富水異常區進行劃分并編號，并結合采空區的分布，得出研究區域強富水區域采空區位置，如表1所示。研究區域地面勘探異常區分布與采空區位置對照分布如圖2所示。

圖1 老窯破壞區復采研究區域

表1 研究區域富水區域分布

圖2 13#煤層準平面切片成果

異常區A-2、A-3、A-4、A-5、A-8為強富水異常區，對應的采空區1、2、3、4和7存在大量的積水，會對研究區域復采產生較大的影響。

峁底礦在處理水害隱患時以防為主，再輔以物探、鉆探、化探、鉆孔內窺等綜合探測手段，盡量將水害扼殺在萌芽狀態，采取防治結合的綜合治理手段，確保了各開拓掘進區域以及回采工作面安全施工。

2.2.2 研究區域積氣情況

井下各采空區因開采時間久遠且空間封閉、通風不暢，會有二氧化碳、沼氣等有害氣體積存。特別是關閉時間長的采空區，多年形成的有害氣體會隨時間的積累，長期不通風造成濃度越來越大。根據揭露的老巷及掘巷過程中涌出氣體的檢測，采空區內積氣含量不高，風排后對復采無影響。

3 研究區域復采方案

3.1 復采工作面設計

3.1.1 復采工作面長度

工作面長度是決定產量和效率的主要因素[5]。峁底煤礦13#煤層的傾角為8°，厚度為12.08 m，工作面的合理長度范圍為150～240 m。結合13203工作面已有設備配套等情況，復采工作面長度仍沿用160 m。

3.1.2 工作面間煤柱寬度

基于彈性核理論對煤柱寬度進行合理計算，以13204和13205工作面為例進行說明，如圖3所示。

煤柱寬度計算式為：

B=X1+X2+X3

(1)

式中：X1——工作面側煤柱塑性區寬度，m；

X2——采空區側塑性破壞區寬度，m；

X3——彈性核區寬度，m。

按照經驗，選取彈性核區X3的寬度為X1+X2。

根據巖體極限平衡理論，塑性區寬度X1表達式為：

(2)

式中：K——應力集中系數；

P——支架對煤幫的阻力，MPa；

M——煤層開采厚度，m；

C——煤體黏聚力，MPa；

φ——煤體內摩擦角，(°)；

f——煤層與頂底板接觸面的摩擦因數；

γ——巖層的體積力，kN/m3；

H——煤層的埋深，m；

ξ——三軸應力系數。

圖3 區段煤柱分區示意圖

根據13204工作面開采條件，13#煤層平均厚度為12.08 m，煤層內摩擦角為25°，黏聚力為1.6 MPa，根據該區域經驗值，采空區側支護阻力取0.25 MPa，f取0.4，工作面側應力集中系數取4，上覆巖層平均體積力取25 kN/m3，煤層平均埋深取233 m，則工作面側煤柱的塑性寬度X1=8.58 m。

計算支承壓力下的塑性破壞寬度X2，采高取3.2 m，應力集中系數取2.5，則采空區側塑性破壞區寬度X2=1.72 m。

由式(1)可求得煤柱寬度B為20.6 m。則區段煤柱寬度應不小于20.6 m。結合現場情況，工作面煤柱寬度取25 m。

3.2 復采工作面布置

根據研究區域內老空區破壞情況及水文地質條件，由13204工作面向北可依次布置13205、13206、13207、13208共4個復采工作面。回采順序依次為13205、13206、13207、13208工作面。研究區域內復采工作面布置如圖4所示。

根據峁底煤礦瓦斯、采區涌水情況，單巷布置可以滿足要求。13205復采工作面上方有采空區7、采空區8和多條老巷，工作面傾向長1020 m。13206復采工作面上方由采空區5、7、8、9共4個老空區，運輸巷長1125 m，回風巷990 m，停采線與下個工作面開拓巷道留50 m安全距離。13207工作面上方有采空區4、5、6共3個采空區，運輸巷長800 m，回風巷長670 m。13208工作面上方有采空區2、3、6共3個采空區，兩巷道長度均為380 m。

圖4 研究區域復采工作面布置示意圖

復采巷道布置于老空區下方，要根據巷道頂板煤層的不同狀態，采取分區動態支護和支護參數合理選擇控制的對策[6]。

3.3 研究區域可回收資源量、服務年限及采煤工藝

3.3.1 研究區域可回收資源量及服務年限

復采區域內13205、13206、13207、13208工作面采出的煤炭總量即為研究區域復采的回收煤炭量。4個復采工作面的剩余煤炭資源量統計如表2所示。經計算，研究區域4個復采工作面可回收煤炭量為375.6萬t，復采可服務年限約為3年。

3.3.2 采煤工藝確定

針對復采區域地質條件和煤層賦存特征，以及工作面過老空區煤層厚度不穩定的特點，結合峁底煤礦現回采工藝、復采研究區域地質條件、煤層賦存及工人設備操作熟練程度，并借鑒其他煤礦復采成功經驗，本次復采仍采用綜采放頂煤采煤工藝。

表2 復采工作面剩余煤炭資源量情況

3.3.3 工作面采高

研究和實踐證明，當加大工作面的采高時，工作面頂板壓力隨之增大，支架受偏心載荷影響，穩定性變差；煤壁前方支承應力集中程度增大，加劇了工作面煤壁片幫和冒頂的程度[8]。峁底煤礦13#煤層裂隙較為發育，采高以3.2 m比較合適，采放比控制在1∶3以內。其中復采區域采3.2 m、放2.2 m，采放比為1∶0.7。

3.4 老窯破壞區頂板控制及支護方式

3.4.1 老窯破壞區頂板結構

厚煤層上分層開采后留下的采空區是否垮落將對下分層復采工作面的頂板維護及礦壓顯現產生很大影響。老窯開采導致厚煤層上分層內出現煤柱與采空區相互交錯的現象，采空區的頂板形態主要可分為頂板垮落、頂板未垮落兩種形態；其中頂板垮落狀態按不同的垮落程度可進一步分為頂板部分垮落和頂板完全垮落。老窯破壞區結構形態如圖5所示。采空區上方頂板是否垮落與采空區兩側煤柱的穩定性和頂板巖層的極限跨距有關。

隨著上分層開采尺寸的增大，頂板會逐漸發生破斷。頂板的垮落程度對下分層復采工作面的礦壓顯現有很大影響。根據上分層開采尺度及頂板破壞程度將老窯破壞區結構形態分為以下3種：

圖5 老窯破壞區結構形態

3.4.2 過老空區、老巷圍巖控制

針對一次采動形成的破碎圍巖結構及裂隙發育特點，通過選擇合理的充填(注漿)材料、工藝及效果檢驗方法，確保圍巖控制效果。

(1)巷道過空巷措施。巷道過老巷時，需要在空巷頂部進行錨網索主動支護，錨網索支護完成后，再采用木垛進行支護，木垛要求接頂嚴實，架設至巷道頂板標高時，再進行架棚支護，回采巷道過老空巷支護如圖6所示。

圖6 巷道過老空支護示意圖

(2)巷道揭露采空區圍巖控制。采用架棚及棚外注漿方式通過采空區如圖7所示。

圖7 充填袋架棚支護設計

支護主要采用11#工字鋼架棚支護，架棚排距0.6 m，架棚采用2寸鋼管整體加固和鎖腿錨桿加固。架棚外側采用充填袋充填加固，以緩沖采空區冒落矸石的沖擊維護架棚整體穩定性。充填袋的尺寸為長12 m、寬1.6 m、厚1 m，中部設計3個孔(2個充填孔，1個出氣孔)，每掘進2個架棚注漿充填1次。

(3)破碎圍巖注漿加固措施。針對巷道頂板破碎區域，進行注漿加固(馬麗散)處理，經過注漿處理加固圍巖，即可提高巷道的穩定性，又可提高掘進和擴刷速度。破碎圍巖注漿鉆孔布置如圖8所示。

3.4.3 巷道斷面

復采工作面回采巷道的尺寸要與生產能力相匹配，能夠滿足通風、行人、運輸及設備安裝的要求，巷道斷面尺寸如表3所示。

表3 工作面回采巷道斷面尺寸

3.4.4 支護方式

按照分區支護和及時主動支護、支護結構強化的原則，針對復采區域巷道頂板煤層的不同狀態，結合經濟合理性原則，復采工作面回采巷道采用以錨桿支護為基本支護的動態支護方式，如表4所示。

表4 分區動態支護方式

4 主要結論及建議

4.1 主要結論

(1)基本查明了研究區域內老巷的分布層位和斷面尺寸、老空區的積水積氣情況；老窯均采用壁式炮采落煤法采煤；研究區域內老空區總面積為0.395 km2，老窯的煤炭采出率約為18.4%。

圖8 注漿鉆孔布置

(2)根據研究區域地質條件，復采工作面長度沿用160 m，工作面間煤柱寬度為25 m。在研究區域內沿13204工作面向北依次布置13205、13206、13207、13208共4個復采工作面依次開采。13205和13206工作面可充分利用二采區大巷，13207和13208工作面需開拓新的大巷。4個復采工作面可回收煤炭資源量為375.6萬t，服務年限為3年。

(3)根據復采區域地質條件及煤層賦存特征，采用綜采放頂煤采煤工藝，采高以3.2 m比較合適，采放比控制在1∶3以內。其中復采區域采3.2 m，放2.2 m，采放比為1∶0.7。

(4)復采工作面回采巷道采用分區支護、及時主動支護、支護結構強化和經濟合理性原則，以煤層頂板結構為指標，以錨桿支護為主、架棚支護為輔的分區動態支護方案。

(5)峁底礦研究區域復采過程中生產成本共計8.90億元，按340元/t的煤價計算，復采可增加收入12.77億元，實現利潤3.18億元，經濟效益顯著。

4.2 建議

(1)加強研究區域老空區回采巷道圍巖控制的研究，特別是在老空區下大斷面切眼支護方面，為復采工作面快速安全掘進提供理論和技術支持。

(2)峁底煤礦復采工作面過老空區頂板活動特征及礦壓規律尚不清楚；因此，建議安裝在線礦壓檢測系統，摸清頂板活動規律，為后續復采工作面開采提供相關技術參考。