衰老礦井采空區上覆殘煤復采技術的探討

◎孫剛

一、井田概況

曉南礦位于調兵山市東南方，距調兵山市中心15Km。地處遼寧省調兵山市的曉南鎮及鐵嶺縣的大青鄉和蔡牛鄉。其具體位置：北到薄家窩棚、姜家窩棚；南到礦工住宅區及蔣家洼子；西到左家崗子、汪荒地；東到宋荒地、前往戶屯、后往戶屯。

曉南礦北以FW3-13 號斷層為界與小青礦相鄰；南以煤層最低可采邊界線為界，上煤組局部以人為技術邊界與長鐵煤礦相鄰；西以 F3、F2、F35-1 號斷層為界與大興礦相鄰；東至 14 煤層最低可采邊界線。曉南井田南北走向長約5.35Km，東西寬約4.307Km，總面積約為23Km2。

曉南礦于1980年9月28日建成投產，煤炭資源逐漸枯竭，如何減少煤炭損失，把過去不能回采的煤炭采出，成為我們曉南人當下的難題。

曉南礦東一采區位于曉南井田東部，井下F1-6 斷層以南，F20 斷層組以北，F19 斷層組、中央廣場煤柱和南翼運輸大巷以東，東部以上含煤段4-2煤層和7-2煤層最低可采邊界線為界。東一采區于1983年開始回采，1995年7-2煤層回采結束，4-2煤層較薄，平均1.2m，由于受采煤設備限制，當時不具備經濟開采條件，現準備對東一采區4-2煤層殘煤進行回采。對原有不可采的煤炭資源進行復采，是提高煤炭回收率的重要途徑，根據曉南礦現有井下開采條件進行優化設計，布置殘復采工作面回收煤炭資源，可以有效緩解采掘接續緊張的問題。

二、殘復采工作面概況

曉南礦東一400 殘復采工作面位于東一采區東部，南以東一4 層中巷煤柱為界；北部為4-2煤層最低可采邊界；西部為FE10 斷層；東部鄰近FE119 斷層。工作面運順長455m，回順長474m，工作面切眼170m，開采長度380m，回采面積64600㎡。開采高度1.66m，可采儲量15.9萬t。（圖1）

圖1 東一400 殘復采工作面平面圖

東一400 殘復采工作面所開采的煤層為一水平4-2煤層，平均厚度1.66m，其中夾泥質砂巖，厚度0.49m～1.43m（圖2）。煤炭自燃發火期1～3個月。工作面總體為背斜構造，背斜軸部走向24°～41°，兩翼傾角4°～7°，平均為6°。正斷層FE119、FE10 控制了工作面的布置。

圖2 東一400 殘復采工作面綜合柱狀圖

東一400 殘復采工作面下覆的7-2煤層已開采（東一713和東一715），已開采的2個工作面平均采高3.02m，回采時間為1989年1月至 1990年3月，4-2煤層與 7-2煤層間距 41.31～44.39m，平均層間距42.85m，煤層傾角5°，7-2煤層頂板以粉砂巖、砂礫巖為主，東一400 工作面下部7 層老空區情況見表1。

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三、采空區上部煤層殘復采可行性分析

結合上行開采的理論研究和生產實踐，下部東一713 和東一715 開采后，采空區上部4-2 煤層是否被破壞，是探討進行殘復采是否可行的主要問題。進行分析的主要方法有比值判別法、圍巖平衡法、“三帶”判別法、經驗對照法等。

1.比值判別法。

利用以下公式進行計算比值：

其中：H—上下煤層之間的垂距，41.31m；

M—下煤層平均采高，取3.0m。

計算得K=13.77＞6.5，上行開采的理論研究和生產實踐證明，當比值＞6.5 時，先采下部東一713 和東一715 工作面不會對上部煤層造成很大影響。

2.圍巖平衡法分析。

根據煤礦開采圍巖移動變形、圍巖平衡規律研究，保證上覆煤層安全開采利用下式進行計算：

式中M —下覆煤層平均采高，3.02m；

K1—巖石碎脹系數，7-2煤層頂板為粉砂巖、砂礫巖為主，K1=1.2；

h—平衡巖層本身厚度，根據頂板賦存情況，按綜合柱狀圖估算取7m。

經計算，下部采空區和上部待采煤層間距必須大于22m，東一400 殘復采工作面最小間距41.31m，布置殘復采工作面回收煤炭資源結果可行。

3.“三帶”判別法論證。

先采下部東一713 和東一715 工作面，工作面回采冒落后，往上將依次形成垮落帶、導水裂隙帶、彎曲變形帶。

根據《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規范》中垮落帶和導水裂隙帶高度計算公式計算如下：

（1）垮落帶高度的確定：

（2）導水裂隙帶高度的確定：

式中：M——下覆煤層平均采高；

從公式（3）和（4）的結果來看，下部7-2煤層回采之后，垮落高度為9.1m，導水裂隙帶的影響高度為41.3m，布置殘復采工作面回收煤炭資源正位于導水裂隙帶影響邊界，會對4-2煤層完整性造成一定的影響，但不會對煤層的連續性產生破壞。

4.經驗對照法.

通過科學管理，曉南礦對西三采區殘煤復采綜采工作面順利回采結束。兩個采區的地質情況相近，且兩煤層間距約37.01m。對整個生產過程進行分析，經過6年時間下部采空區圍巖基本穩定。

根據以上幾點經過分析論證，而且下覆工作面回采至今已30年，圍巖移動處于穩定階段，可以進行采掘活動，采空區上覆東一400 殘復采工作面進行綜合機械化開采是可行的（圖3）。

圖3 開切眼預想剖面圖

四、工作面巷道支護方式選擇

1.巷道斷面及支護形式。

東一400 工作面運順、回順和聯絡道斷面均為寬5000mm，高2800mm 矩形巷道、開切眼斷面寬為7000mm，高2800mm矩形巷道，所有巷道均采用錨網（索）+鋼筋梯的聯合支護方式。

2.巷道支護參數。

東一400 工作面頂板錨桿采用φ22mm，長度為2200mm的全螺紋等強錨桿，裝藥量CKZ23120 樹脂藥卷1 支，錨固力不小于100kN；幫錨桿均采用φ22mm，長度為2000mm 的全螺紋等強錨桿，裝藥量為Z2370 樹脂藥卷1 支，錨固力不小于50 kN；錨桿間距和排距均為900mm；錨索采用φ21.8，長度為5200mm 的鋼絞線，排距為1800mm，運順、回順和聯絡道均采用“2-0-2-0”布置方式，間距為1800mm，裝藥量為Z2370 樹脂藥卷2 支，錨固力不小于180kN。開切眼斷面錨索采用“3-0-3-0”布置方式，打兩排中心頂子（或單體液壓支柱）加強頂板支護。

圖4 巷道支護斷面圖

五、巷道掘進施工探查情況

1.掘進施工探查。

受下覆東一713、東一715 工作面采動影響，4 煤層巖層完整性已遭到破壞，頂板出現裂隙、離層，但經30年時間的采后充實應該形成再生底板。

東一400 工作面巷道探查施工于2020年6月25日開始施工，施工中特別加強頂、底板管理。采用綜掘，全斷面一次成巷，支護材料采用錨桿、錨索、金屬網、鋼帶聯合支護（見圖3）。在日常掘進過程中加強施工質量管理。巷道中間每隔10m 用Φ200mm 圓木打一信號頂子，以便隨時觀察頂板壓力變化情況，及時采取補強措施。底板每隔10～15m 向下覆7-2采空區打探眼，以確定4-2煤層與7-2煤層采空區之間厚度及底板是否壓實及瓦斯賦存情況，采取措施，充實采空區，防止瓦斯滲出，頂板壓力明顯地段或頂板破碎段及時采取架設金屬棚的聯合支護方式。通過采取多種加強支護形式，東一400 綜采工作面安全掘進貫通。經觀測，頂板離層值最大沒超過30mm，兩幫表面位移量不超過80mm，保持了圍巖的穩定性，具備綜合機械化采煤的條件。

2.煤層頂、底板完整程度及連續性判定。

通過東一400 工作面運、回順的掘進施工實踐可以看出，4煤層層理、煤巖層結構均沒有發生大的錯動現象，處于穩定下沉狀態，而與下覆煤柱區過渡的相交點也只是煤層起伏發生變化，而煤層的連續性基本上沒有遭到破壞。

六、生產實踐

1.“一通三防”安全管理。

采空區上覆殘煤復采主要優點就是可以有效地釋放上覆煤層的瓦斯和泄出上覆煤體內的水。采面掘進、開采期間加強瓦斯管理，對下覆東一713、東一715 采空區進行打鉆，一是探明下層的充實情況，如果鉆孔沒有返水現象，說明下層已充實，而下覆充實時瓦斯賦存也較少；二是對下層瓦斯進行抽放，有效減少下覆采空區瓦斯向上層涌出。同時對東一400 工作面上覆和本層煤層進行瓦斯抽放，控制工作面瓦斯濃度，避免瓦斯超限事故發生。

2.回采技術管理。

（1）采煤工藝。

本工作面采用走向長壁后退式一次采全高的綜合機械化采煤方法，全部垮落法管理采空區頂板。雙滾筒采煤機割煤→移液壓支架→推移刮板運輸機。在頂板破碎時，采取帶壓擦頂及時移架方式，如煤壁片幫超寬采取超前移架方式。采用MG300/701-WD 型采煤機落煤，滾筒截深800mm。

采煤機螺旋滾筒配合SGZ800/800 型刮板運輸機鏟煤板裝煤。采用SGZ800/800 型刮板運輸機、SZZ800/315 型轉載機和膠帶輸送機配合運煤。采用ZZG6400/17/35 型和ZZ6400/17/35 型液壓支架支護工作面頂板。ZZG6400/17/35 型液壓支架最大控頂距5951mm，最小控頂距5151mm。ZZ6400/17/35 型液壓支架最大控頂距5451mm，最小控頂距4651mm。

（2）頂板管理。

工作面自1月16日開始回采，推進9米后，直接頂初次跨落，推進35米時，基本頂初次來壓，周期來壓步距為12-15米。

頂板管理措施：工作面回采期間，兩巷超前支護20m 范圍內受采動的影響，應力比較集中；工作面位于東一713、東一715采空區上方，工作面及兩巷超前支護有明顯的礦壓顯現工作面初次來壓和周期來壓期間，地質部門做好來壓的預測預報。工作面液壓支架要達到初撐力，支護狀態要良好，保證有效支護頂板。加強前后端頭頂板控制，頂板破碎處及時補打單體液壓支柱或背大柈棚支護。加快推進速度，減小控頂距，嚴禁空頂作業。在頂板破碎的地段，為了有效地防止頂板冒落，控制煤壁片幫，采取帶壓擦頂移架；在工作面局部片幫嚴重地段，采取超前移架，及時支護頂板，必要時要挑工字鋼或圓木。

加強動態監測：工作面共計安設12 塊無線礦壓監測儀，分別 安 裝 在 5#、15#、25#、35#、45#、55#、65#、75#、85#、95#、105#、115#液壓支架上。從而實現監測液壓支架工作阻力情況。每次移架后要搞好礦壓觀測，并由工程地測大隊礦壓組收集數據，進行整理。定期觀測頂板下沉量，工作面上下兩巷每50m 設置觀測站，在觀測站距工作面50m 內，每天由施工單位觀測一次，如發現圍巖變形較大，數據變化劇烈或異常，應及時匯報工程地測大隊并采取相應措施，其它觀測站每15天觀測一次。觀測圍巖表面收斂量及圍巖變化狀況。所有觀測結果均沒有超過界限值，保證了正常開采。

七、效益分析

1.經濟效益。

東一400 工作面殘煤復采將過去無法開采的煤炭進行回采，可多回收煤炭約15.9萬噸，根據礦井現狀估算經濟效益約28.14 元/t，因此多回收煤炭計算效益為：

式中：A——為工作面利潤，萬元；

Q——為工作面儲量，t；

r——噸煤利潤，元/t。

2.社會效益。

可以有效減少資源損失浪費，緩解礦井的采掘接續，而且創造了巨大的經濟效益，同時積累相關技術資料，對東一采區其他殘復采工作面的安全開采，具有一定的指導意義。

八、結語

實施采空區上覆殘煤復采技術，可以有效減少資源損失浪費，緩解衰老礦井的采掘接續，而且可以延長其服務年限，并且創造了巨大的經濟效益，同時積累相關技術資料，對本礦東一采區其他殘復采工作面的安全開采和相同地質條件下的礦井具有一定的指導意義。