薛虎溝煤業小煤窯破壞區復采支護設計及工程實踐

王文俊

(霍州煤電集團有限責任公司，山西 霍州 031400)

霍州煤電集團河津薛虎溝煤業屬于河東煤田鄉寧礦區，為資源整合礦井,由原山西河津薛虎溝煤業、原麻子溝煤礦整合而成。20世紀80年代中后期薛虎溝礦區遭受小煤窯掠奪式破壞性開采，由于小煤窯開采形成的老空、老巷縱橫交錯，遍布整個煤層，井田內分布有大片煤層破壞遺留的殘煤，給礦井的安全生產構成了嚴重的威脅。該煤業主采2#煤層為煉焦配煤，屬于首批稀缺煤種，現采2#煤層一分層大部分采空，二分層局部采空，資源回收率僅為30%.

因此，開展對薛虎溝煤業小煤窯破壞區的資源復采研究，對提高該煤業的經濟效益，促進其可持續發展具有重要意義。

1 概 況

薛虎溝煤業位于呂梁山脈南緣，臨汾盆地的西南山地，汾河、黃河交匯的三角地帶，井田總體地勢東南部高，西北部低，地形最大相對高差+306.9 m.井田可采煤層共2層，分別為2#、10#煤層，分布穩定，煤層傾角較緩，一般2°～7°，2#煤層特征表見表1.

表1 2#煤層特征表

據調查，薛虎溝煤業重組井田內除上述原薛虎溝煤業有限公司和麻子溝煤礦外，在井田南部還分布有已關閉的陳家嶺村辦煤礦和3對私人開辦井口[1-2]，均對重組井田南部地段2#、10#煤層進行了開采，分布有大片開采破壞區。2-105工作面位于井田北部，地表位于陳家嶺村東北部，地面標高+732～+830 m，煤層底板標高+645～+656 m，蓋山厚度80～170 m.復采2#煤層平均厚度4.9 m，該煤層上分層已部分采空，下分層少量采空，采高3.2 m，正、副順槽長度790 m，切巷長200 m.工作面東南為麻子溝煤礦采掘區域，西南為2#煤南翼主運輸巷，西北為2-101回采工作面，東北距井田邊界30 m，復采過程空巷、采空區位置情況見圖1.

圖1 二分層復采過程過空巷、采空區位置情況圖

2 破壞區煤層復采類型劃分及應力規律分析

2.1 煤層復采類型劃分

復采推進過程示意圖見圖2，在2#煤層二分層復采過程，遇空巷、采空區時，煤層的直接頂一分層煤層受小煤窯開采破壞已經破碎垮落，基本頂也受到了一分層開采影響，由于基本頂巖性較硬，懸露變形斷裂垮落基本頂仍然會相互擠壓，并形成新的應力分布[3-5].依據鄉寧礦區具體地質條件、中厚煤層開采現狀,復采工作面與巷道布置情況劃分4種類型：平行煤巷型、垂直煤巷型、混合型、完全采空區型，見圖3.結合薛虎溝煤業2#煤層一分層開采后，二分層煤層巷道布置特征和過采空區、空巷特點，確定二分層復采主要為(過采空區、空巷)與煤柱垂直相間布置類型。

圖2 復采推進過程示意圖

圖3 小煤窯破壞區煤層復采類型分類圖

2.2 二分層復采過程影響分析

根據煤層采動引起回采空間周圍巖層應力分布經驗公式[6-7]:

式中，σx為水平應力,σy為垂直應力,τxy為切應力，P為作用于下分層煤體上的載荷。根據該煤業2#煤地質條件，取上覆巖層重量8.75 MPa，煤柱中最大應力集中系數取4，煤柱寬度為20 m，得到底板不同水平截面應力分布曲線，見圖4.

圖4 煤柱均布載荷下底板應力分布曲線圖

由圖4可知，在底板不同深度水平截面上以煤柱中心點下部軸線處的垂直應力為最大，距離采空區垂直距離越淺，應力集中范圍越小，但集中程度越大。反之，距采空區垂直距離越深，應力集中范圍越大，集中程度越小。水平應力距采空區垂直距離越深，應力集中范圍越大，隨遠離煤柱衰減速度緩和，峰值隨深度增加而衰減，同一水平截面的水平應力峰值位置當距煤柱較近時位于煤柱均布載荷中心點下部軸線處，當距煤柱較遠時靠近煤柱邊緣出現兩個峰值，且峰值隨深度增加而趨于緩和。切應力最大值位于煤柱的兩側邊緣，以煤柱中心點下部軸線處的切應力最小為0.在底板不同深度各水平截面上切應力隨深度增加變化趨于緩和。

3 分層復采巷道圍巖控制關鍵技術及支護設計

3.1 過空巷和采空區關鍵技術

掘進工藝：巷道沿底板掘進，因一分層為1.0 m左右復采松軟煤層或冒落松散矸石，開口采用人工掘進，掘進20 m后改用綜掘機施工。為防止綜掘機截割時造成頂板及迎頭煤壁垮落，使已破碎頂板整體塌陷，采用先割頂及兩幫，留出棚梁及棚腿位置，迎頭采用“留肚子”的掘進方法，有利于空頂處頂板及煤壁的控制。

注漿充填加固施工：安全檢查→臨時支護→施工鉆孔→注漿→掘進。在掘進中揭露老空巷或采空區，導致巷道頂板冒落，冒落體積較大時，采用礦用新型FSS化學加固材料對頂部空巷及破碎頂板進行注漿充填加固。

3.2 分層復采巷道圍巖控制支護設計

掘進支護：采用架棚支護，見圖5.

圖5 巷道斷面及支護圖

三心拱29U鋼棚，每架U型棚使用2根拉桿連接[5，6]，棚梁與棚腿搭接處各一根，棚梁與棚腿搭接500 mm，卡纜間距350 mm，卡纜螺栓扭矩不得小于180 N·m，棚距800 mm，柱窩深度200 mm，頂幫用方木背實。

切巷支護：采用錨網索+桁架、槽鋼聯合支護，見圖6.

圖6 切巷支護斷面圖

工作面切眼為矩形斷面，開口前3 m采用錨網索+桁架、槽鋼聯合支護，頂錨及老山側幫錨采用d20 mm×2 000 mm的左旋螺紋鋼錨桿，間排距900 mm×800 mm；工作面幫錨采用d16 mm×1 600 mm金屬錨桿，間排距為900 mm×1 600 mm；錨索采用d17.8 mm×9 200 mm的鋼絞線，間排距為1 500 mm×800 mm.

回撤通道：末采支護采用鋪雙層菱形網(12#×1 000 mm)，鋼絲繩d28 mm，錨索間排距600 mm×1 500 mm，視工作面頂板完好程度，確定末采長度、鋼絲繩數量及錨索排數。局部冒落區域采用“一梁一柱+馬麗散膨脹劑+錨索”支護，超高段采用支設貼幫柱、橫設木板梁與支架頂梁鏈接或在支架頂梁上采用槽鋼+方木的方式保證支架接頂，為回撤支架創造條件[7].

三角區及掩護架區域在支架抽出、調向期間，采用π梁+支柱進行臨時支護，對抽架期間頂破的菱形網進行封口。拉掩護架前期，采用木板梁+支柱對空頂區域臨時支護，掩護架到位后回撤掩護架兩幫支柱。

4 工程實踐

4.1 支護形式及巷道斷面參數

支護形式：三心拱29U鋼棚，棚距800 mm，每架U型棚使用2根拉桿連接，棚梁與棚腿搭接處各一根，棚梁與棚腿搭接500 mm，柱窩深度200 mm，巷道斷面參數見表2.

表2 巷道斷面參數表

循環進度為0.8 m，最大空頂距1.0 m，最小空頂距0.2 m.29U鋼棚采用短掘短支方式，掘進一架，支護一架。若前方大塊有垮落跡象，支護時應適當縮小棚距，并對支護進行加固，防止大塊摧棚。循環進度調整為0.6 m，最大空頂距0.8 m，最小空頂距0.2 m；每架設一架U型棚在直拱上部彎曲段加設一副單卡纜對支護進行加固。

4.2 現場支護效果

兩巷順槽掘進施工30 m，開始設置測站，之后每隔30 m設置一個測站，現場共布置兩個測站，同時在巖性和U型棚支護參數發生變化的位置均增設測面監測[7]，監測結果見圖7.在距工作面0～20 m表面位移表現最為劇烈，頂底板最大移近量20～25 cm，兩幫最大位移量10～15 cm，20～40 m為圍巖變形劇烈區，圍巖變形顯著；60 m以后，表面位移量逐漸變小，直至趨于穩定，為圍巖變形穩定區。

圖7 巷道監測斷面變形量曲線圖

2-1051巷掘進50 m處遇空巷，頂部為空巷，頂板破碎現場空巷影響區域較大，過采空區期間采用巷道U棚進行了支護；2-1052巷掘進200 m處遇采空區，頂板破碎冒落區域較大，采用注漿充填加固。據統計掘進期間2-1051巷揭露小窯空巷和采空區13處，2-1052巷揭露9處。

5 結 語

在薛虎溝煤業井田內小煤窯2#煤層破壞區一分層破壞和二分層賦存情況調查基礎上結合煤層復采4種類型，針對薛虎溝煤礦2#煤層復采主要為二分層過采空區、空巷與煤柱垂直相間布置類型，研究分析了過空巷和采空區期間圍巖控制關鍵技術及支護設計方案。對2-105工作面進行了復采工業性試驗，實踐證明兩巷使用U型棚支護和注漿充填加固采空區試驗效果良好，復采過程圍巖控制穩定。