復雜地質條件下災害超前防控與資源高效回收一體化研究及應用

王志根

摘 要：中國是煤炭資源最豐富國家之一，山西是中國煤炭資源最豐富省份之一。經過近幾十年的開采，已面臨資源枯竭，經濟轉型迫在眉睫，但轉型有過渡期，過渡期仍然以煤炭生產為經濟支撐。從20世紀末開始，煤炭產能得到了大規模的釋放，部分煤田被無計劃地分割為多個井田開采，多數礦井面積不足4km2，而受設備及技術力量約束，這些被分割的井田多被建設成了小型煤礦，且部分煤礦施工工藝落后，資源回收率低、房柱式開采造成很多老空區，久而久之老空區又形成了積水積氣現象，造成了礦井災害。21世紀初，為了提高資源回收率，山西省推行了資源整合政策，將眾多小型煤礦整合為大型煤礦進行開采，但前期小煤窯落后的開采工藝及裝備技術已留下嚴重的后遺癥，整合后的大型礦井沒有完整的井田，為提高資源回收率，本文對復雜條件下災害防控與資源高效回收進行了研究，以供參考。

關鍵詞：資源;工藝;整合;災害防控

中圖分類號：TD263.3 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2020）12-0196-02

0概述

南陽坡礦井田面積3.9714km2，批準開采3、4、6、9#煤層，其中4-1#距3-2#層間距23.75m;4-2#距4-1#層間距2.73m;6#距4-2#層間距27.36m;9-1#距6#層間距2.75m;9-2#距9-1#層間距7.94m。

從煤層層間距來看，均屬近距離煤層，開采時上下層將產生顯著壓力影響。

4111工作面受資源整合前小煤窯開采破壞，回采范圍內存在縱橫交錯的17條老巷，老巷或位于工作面上方，或位于下方，幾乎不同程度的都存在冒頂片幫現象，冒頂最高處可達5m之多，冒頂的浮渣充填巷道后最矮處只有1m左右，老巷內又存在積水、有害氣體等災害。

此外，4111工作面上覆4109采空區，與之層間距最小處不足4m;回采至里程450m時與附近回風立井間距只有50m，與總回風巷間距為23m，若不采取措施，回風立井與總回風巷的使用將受到嚴重影響。另南陽坡礦煤層頂板屬大同煤田厚層狀砂巖，抗壓、抗拉強度大，不易冒落，當采空區頂板來壓時，堅硬頂板大面積突然冒落會造成嚴重災害。

眾多因素導致工作面開采條件極為復雜，影響資源回收率，因而針對此種條件，研究及應用在復雜地質條件下的災害超前防控與資源高效回收具有重要意義。

1 研究方法

1.1 新工藝助力初采頂板垮落

采煤工作面在初采階段經常需要借助強制放頂來實現頂板安全垮落。過去通常采用火工品爆破致裂頂板，此種方法雖然能使堅硬頂板及時垮落，但卻有著引燃引爆瓦斯煤塵的隱患，爆破同時伴隨有害氣體的產生，因此CO2預裂頂板應運而生。

二氧化碳致裂不產生沖擊波、明火、熱源和各種有毒有害氣體，安全性能高，主要優點為：（1）熱反應過程在密閉管體內腔中進行，低溫爆破，噴出的二氧化碳具有抑制和阻燃作用，不會引爆瓦斯;（2）震動小，不產生具有破壞性的震蕩，大大降低誘發瓦斯突出的可能性;（3）充裝、運輸、存放具有較高的安全性;（4）爆破能力可控，根據需要設定能量等級;（5）不產生有毒有害氣體，躲炮距離近，可迅速返回工作面，連續作業。

1.2 超前研判、分析與治理，防控礦井災害

4111工作面回采期間陸續穿越多條老巷，老巷內存在積水、有害氣體、頂板等隱患，且老巷層位與工作面回采層位不一致，存在四條斷層。為消除回采安全隱患，提前啟封老巷，及時進行了探查與治理：

（1）為消除有害氣體、水、冒頂及蹬空等隱患，初步確定了老巷條數及范圍，制定了安全技術措施，安設局部通風機，排放稀釋氣體后對老巷探查，現場確定老巷加強支護方案并及時施行，最終工作面實現了災害超前治理，為安全回采創造了有利條件。

（2）為防止回采期間有毒有害氣體涌出，徹底消除老巷威脅，在工作面推至距老巷50m時，將密閉墻再次啟封小口，對老巷內氣體測定分析，采用局部通風機排放稀釋氣體。

（3）安排測量人員不間斷對4111工作面所通過老巷進行實測，從工作面距老巷40m時每推進10m對工作面標高進行測量，并對斷層分析，以少丟煤、少破巖石為原則，根據老巷實測數據結合斷層預想畫出剖面圖，對回采層位進行局部調整，按照既定的層位回采。如圖1、圖2所示。

（4）由于4111工作面上覆4109采空區，層間距較小，且工作面停采線位置斜穿兩條老巷，為消除施工回撤通道及回撤設備期間安全隱患，提前對老巷及4111回撤通道與4109采空區的層位關系進行了分析，確定了回撤通道位置及支護參數，確保工作面鋪網上繩、刷擴及回撤期間的安全。

（5）礦井總回風巷受4111工作面回采影響，幫部局部開裂，易形成漏風通道，存在采空區遺煤自燃隱患。為防止災害發生，制定了在礦井總回風巷破碎地段補打錨桿（索）、噴漿封堵措施，安排專人定期檢查記錄總回風巷永久密閉墻內外壓差，形成曲線圖并分析采空區塌陷漏風情況，有效預防了工作面老巷與礦井總回風巷形成漏風通道發生煤層自燃現象。

1.3 近距離煤層開采，合理設計巷道布置

南陽坡礦主要開采3#、4#、6#煤層，均為近距離煤層，且由于井田面積不足4km2，如何充分結合各煤層地質特性及相配套采礦工藝礦壓分布特點，利用井下生產現狀，最大限度地發揮現代化采煤工藝優勢，在小范圍內安全、連續、高效回采。

因此，南陽坡礦在4109工作面（3#層）與4111工作面（4#層）開展了一系列圍繞區段煤柱留設、臨近層采掘礦壓活動規律研究、近距離煤層支護及有效性評判等多方面綜合性研究來指導礦井生產。

1.3.1 近距離上下層同采合理錯距研究

（1）理論建模分析方法。近水平煤層單個工作面開采后，采空區周圍巖層運動處于非充分采動階段，巖層破裂高度約為采空區寬度的一半[1]。采空區上覆巖層的運動是以巖層組為單位的，每一巖層組中的厚硬巖層作為關鍵層，控制著該巖層組的運動和變形。各巖層組在工作面前方產生離層，離層出現在上方巖層組的關鍵層和下方巖層組的軟弱巖層之間，采空區一側離層端的連線稱為巖層移動線，該線與水平線的夾角α稱為巖層移動角。采空區一側煤體的側向支承壓力σ由自重應力σq和應力增量Δσ等兩部分組成，即：σ=Δσ+σq。

通過理論建模計算，得到4#煤層側向支承壓力分布，可知采空區外側煤體側向支承壓力峰值位置距采空區約26m，支承壓力峰值約12.52MPa;距采空區0m～5m為低應力區，也是塑性區;距采空區5m～50m為支承壓力影響區;距采空區50m以外為原巖應力區;距采空區5m～26m為彈塑性損傷區;距采空區26m～∞為彈性區。

（2）現場實測方法。1）在4111進風順槽里程800m煤壁側、煤柱側前后100m附近布置第一組觀測站，每10m設置一處觀測點，共設置20處，每處觀測點在順槽左右幫各打設鉆孔5個（孔深分別為4m、7m、12m、17m、22m），安裝應力計用于觀測實體煤內應力值受上覆4109工作面采動影響變化。2）在4111回風順槽里程600m（與進風順槽同一經度位置）煤壁側、煤柱側前后100m附近布置第二組觀測站，每10m設置一處觀測點，共設置20處，每處觀測點在順槽左右幫各打設鉆孔5個（孔深分別為4m、7m、12m、17m、22m），安裝應力計用于觀測實體煤內應力值受上覆4109工作面采動影響變化。

1.3.2 近距離煤層巷道支護設計研究

（1）一般支護選取原則。1）及時主動支護，巷道開挖后應及時支護，控制巷道圍巖離層、裂隙的進一步擴大，減小空頂、空幫時間和距離[2]。2）對錨桿（索）施加合理的預應力，保證錨桿支護系統有較高的承載能力，提高巷道圍巖的整體穩定性。3）近距離煤層頂板圍巖結構易因上覆煤層采動影響而遭到破壞，需加強對圍巖結構變形的控制。4）巷道錨桿支護設計前必須進行井下拉拔試驗，并根據試驗結果對支護參數進行優化設計。5）在實現錨桿支護系統高強度、高可靠性的前提下，做到降低錨桿支護密度，提高掘進速度，降低支護成本。

（2）不同層間距下巷道支護原則。根據層間距及圍巖狀況，當層間距小于18m時采用錨網索+工字鋼棚進行支護，當層間距大于18m時采用錨網索支護[3]。

（3）錨桿錨索受力監測。通過現場安裝錨桿（索）測力計對所安裝錨桿（索）進行檢測，發現錨桿（索）初始預緊力施加較為合理，錨桿集中在20kN～40kN，個別錨桿達到45kN;錨索預緊力集中在70kN～85kN之間。在受力監測過程中，錨桿（索）受力變化值普遍較小、受力比較穩定，說明支護參數選取與上下層巷道錯距布置合理。

2 結語

2.1 實現頂板安全垮落

南陽坡礦在4111工作面首次采用二氧化碳致裂堅硬頂板，能夠使頂板在工作面推進4m時，70～120架頂板垮落;推進到22m時，工作面頂板全部垮落，且未產生各類次生有毒有害氣體。既保證了安全回采，又使工作面提前進入放煤階段，間接提高了資源回收率。

2.2 以最簡便的方式保護了回風立井不受采動影響

通過采取工作面機尾局部支架不放煤的方式，最終順利通過采動影響區，回風立井未受到任何采動影響，保證了礦井生產的正常與連續性。

2.3 通過超前研判與治理，積極主動地防控了災害

對所有老巷積水、積氣、頂板等隱患進行了排除，并且通過繪制工作面與老巷、斷層剖面圖，提前調整回采層位，順利通過老巷、斷層，安全回采至工作面結束。

2.4 掌握了南陽坡礦近距離煤層開采的技術資料

通過實踐，掌握了下部煤層巷道合理錯距應保持在20m～30m左右、工作面同采安全距離不小于200m、巷道支護設計參數等重要技術資料，做到安全有效、經濟合理、施工過程便捷。

參考文獻

[1] 錢鳴高，石平五，許家林.礦山壓力與巖層控制[M].徐州：中國礦業大學出版社，2010.

[2] 張忠溫，吳吉南，范明建，等.近距離煤層采空區下巷道支護技術研究與應用[J].煤炭工程，2015，47（2）：37-40.

[3] 吳吉南.受小煤礦開采影響區域開拓大巷布置研究[J].煤炭科學技術，2018，46（s2）：30-34.