近距离不规则房式采空区上行开采存在的问题及对策

韩新明

（1.太原理工大学矿业工程学院，太原030024；2.霍州煤电集团公司，山西霍州031400）



近距离不规则房式采空区上行开采存在的问题及对策

韩新明1，2

（1.太原理工大学矿业工程学院，太原030024；2.霍州煤电集团公司，山西霍州031400）

摘要：对极近距离不规则房式采空区上综采工作面生产初期遇到的问题进行分析总结，指出合理的解决对策，实践表明很大程度上解决了现存的安全隐患问题，保障了工作面的正常生产。为类似近距离不规则房式采空区地质条件上综采提供了技术参考。

关键词：近距离不规则；房式采空区；综合机械化开采

某矿是由小煤窑整合而成，井田范围内原有小煤窑数量较多，赋存有1、2号煤层，2号煤层经原小煤窑部分开采，有采空区2处，2号煤层上部1-101综采工作面，是矿井设计的首个回采工作面，采用上行综合机械化开采方式。1-101工作面初采范围内下部的2号煤层为小煤窑房式采空区，预计小煤窑采空区范围约12.6万m2，积水量约为8万m3，采空区边界离1-101工作面最小平距仅为140 m左右，且房式采空区分布具体位置未知，残留煤柱稳定性状态不清楚，采空区含水及瓦斯状态不明。此案例属于极近距离房式采空区上综合机械化长壁开采，采空区上方遗弃煤层上行开采的矿山压力显现特征、顶板控制、安全技术保障等与常规的下行式开采相比均具有特殊性，现有的煤层开采理论和技术不完全适用于残采区煤层上行开采，尤其对于相对少见的近距离不规则房式残采区上行开采情况，而国内这方面的理论和实践极少[1]，缺少成熟的参考案例，这就决定了工作面初采期间面临有严重的安全问题，本文对工作面初采期间存在的问题进行分析，并针对出现的安全问题提出相应的对策。

1　工作面初采期间存在的问题分析

工作面初采期间存在的问题及产生的原因如下：1）低洼区域采空区底板出水。工作面的采动必然会导致底板一定深度的破坏，出现后方采空区底板渗水甚至涌水的现象，由于采场及后方采空区底板大量涌水会导致底板泥岩软化，强度降低，极可能出现支架、刮板输送机歪斜、陷底甚至倒架等现象，严重影响推进速度，进而加剧底板的破坏和老空水的上涌。产生底板突水的原因是：井田位于汾河西岸且沟谷发育，受天然降水量的影响，附近降水常常汇聚于此，导致形成稳定的活水源，而1-101工作面初采区域煤层赋存较低，周边采空区大多高于该区域，由于采场覆岩及底板岩层将形成大范围的导水裂隙带，所以该裂隙带必然会对原先稳定的导水通道构成影响，甚至沟通新的充水水源，导致采空区底板渗水涌水等灾害的发生。

2）工作面超前区域底板台阶下沉。矿山压力理论[2]指出，上行开采破坏了采场上覆煤岩层的原始应力平衡状态，引起岩体应力重新分布。当重新分布后的应力超过煤岩极限强度时，必然引起上覆煤岩层的横向及纵向变形与破坏。层间岩层的横向及纵向离层变形主要产生大量采动裂隙，甚至破坏煤层，但随时间延长，横向裂隙会重新闭合压实，而纵向剪切变形则表现为煤岩层发生台阶错动，破坏煤层结构。某矿由于采空区上部变形破坏严重，而煤柱有效支撑的部分破坏程度相对较低，会导致上部煤岩层变形破坏的不均匀性增加。同时在煤柱上部和采空区上部的煤岩层之间具有一定程度的坡度，从而使得台阶现场更加严重。

3）矿压显现异常。开采区域的底板出现的异常矿压显现主要有：底板弯曲下沉、底板有裂隙出现、顶底板台阶下沉、大面积下陷等。由于开采的工作面属于被动式上行开采，而底板的稳定性决定了煤层及其顶板的矿压显现特征，一旦底部向上的支撑力降低，就会导致煤壁片帮、局部冒顶、围岩变形量大等不利现象。

4）三机工况异常。工作过程中出现了设备窜动、歪斜、倾倒、下陷，其中支架易发生低头、仰头、咬架等现象，即所谓的采煤机、液压支架、刮板输送机三机不匹配的现象。这是由于底板稳定性不足，支架对顶板的支护质量不易受控制，导致顶板下沉严重甚至压死支架；而回采巷道部分地段一旦出现底板裂隙，容易造成支柱钻底量大，降低超前支护效果，围岩变形量积聚增大，巷道断面有可能无法满足需要。三机工作状态的异常不但影响工作面的煤炭产量，同时对工人的生命健康造成巨大威胁，因此必须加以制止。

5）采空区瓦斯溢出。工作面推进过程中，瓦斯沿裂隙或人工钻孔涌出，给矿工生命安全及采空区安全管理造成巨大威胁。造成瓦斯泄露的主要原因是：采空区内赋存了大量的瓦斯气体且浓度较高，虽然通过疏水钻孔排出了大量老空水，但内部瓦斯并没有得到有效稀释。在煤层回采过程中强烈的动载影响下，层间岩层裂隙继续发育，并与上部采掘空间连通，一旦扩散通道具备，将导致采空区瓦斯的溢出。

6）残留煤柱大面积失稳。工作时伴有煤柱群大面积垮落，导致煤岩层突然处于动态失衡状态中，并发生工作面及采掘设备显著沉降。据此分析，可能是由于采空区在长期的老空水浸泡状况下以及疏水后煤壁裂缝的再次风化，导致了采空区围岩表面破碎程度加大、有效承载面积进一步减小。同时，由于开采过程中超前支承压力的作用将进一步使其破坏程度加大，支撑顶板的重量将转移给周围的煤柱，即导致了所谓的“多米诺”式效应的发生[3]。

2　工作面初采期间采取的对策

2.1技术路线

通过分析目前工作面初采期间遇到的问题，采取如图1所示的技术路线，主要从底板排水降压、底板注浆加固和回采特殊工艺及措施等三个方面进行。

图1　技术路线

2.2解决对策

1）低洼区域底板排水降压。由目前的排水情况可知，底板采空区仍存在大量积水，且水位标高高于初采区域最低点。为降低工作面水位，保障低洼处能够安全推进，采取加大抽排水力度或改进排水方式的措施[4]，即在皮带巷最低洼处布置小俯角底板排水钻孔，使得排水孔口标高尽量降低，皮带顺槽排水孔参数如表1所示。

钻孔施工过程中，钻孔打透采空区后出水初期水量会较大并伴随有害气体的溢出，因此探放水现场一定要有临时指挥小组，有各分管人员参加，保证钻孔施工人员的安全。排水过程中，应保证孔内尽可能无堵塞，流水保持畅通，同时在钻孔孔口处安设法兰盘、放水三通及压力表等工具。放水期间进行24 h放水监测，建立统计表备案，作出放水量及水压变化曲线，实时观察评估低洼区域排水降压情况。

表1　皮带顺槽排水孔参数

2）危险区域底板注浆加固。为了预防和控制房式采空区覆岩破坏和下沉，保证上部综采工作面的安全生产，采用所谓的覆岩结构加固补强法对房式采空区进行处理，即采取注浆加固和强化采空区覆岩结构的方法，充填采动覆岩断裂带和弯曲带岩土体离层、裂缝，使之形成一个刚度大、整体性好的岩板结构，有效抵抗老采空区塌陷的向上发展[5]。在危险区域实施底板注浆加固可以起到提高层间岩层强度和承载能力，预防和控制工作面台阶下沉，以及封闭底板水及瓦斯逸出通道等的作用。底板注浆加固设计的工艺流程，见图2。

图2　底板注浆工艺流程

3）提高工作面的推进速度。提高工作面推进速度可缩短采场围岩破裂演化时间，使得采场始终处于未充分破坏的围岩环境中。通过现场实际观测表明，提高推进速度可改善煤壁偏帮，端面顶板破碎，底板下陷等不利矿压现象，改善采场底板完整性和稳定性。

4）采取特殊回采工艺及措施。面对三机工况异常问题，根据文献[6]并结合该矿的实际工作情况，采取以下的特殊回采工艺措施。针对采煤机防滑采取的措施：蹬空割煤时，推溜工必须及时跟进顶溜，顶溜处与采煤机后滚筒不得大于5架支架的距离；下行割煤时前滚筒必须切入煤壁；停机时前后滚筒都必须落地，位于机头的滚筒必须切入煤壁以增加阻力。提高支架横向稳定性的措施：在工作面支架中设置一组调架机构，并把排头三架组成锚固站,且在工作面中每隔5～10架支架安装一组锚固输送机装置。为防止刮板输送机打滑，采取将工作面调斜使支架与煤层走向形成一定角度的措施。

3　结论

本文分析了某矿在工作面初采过程中遇到的问题，并提出了相应的解决对策，总结如下：

1）针对底板突水事故，采取在皮带巷最低洼处布置小俯角底板钻打排水钻孔的措施；采取危险区域底板注浆加固措施，来预防和控制房式采空区覆岩破坏和下沉；采取提高工作面的推进速度，来改善不利的矿压现象；采取特殊回采工艺措施，来改善三机工况异常问题。

2）生产实践表明，这些对策很大程度上解决了工作面初期遇到的问题，为近距离不规则房式采空区上综采提供了技术参考，如果在工作面初采之前就采取相关技术，势必可以避免出现安全隐患问题。

参考文献：

[1]张百胜.极近距离煤层开采围岩控制理论及技术研究[D].太原：太原理工大学，2007.

[2]钱鸣高，石平五，许家林.矿山压力与岩层控制[M].徐州：中国矿业大学出版社，2010.

[3]尹增德.采动覆岩破坏特征及其应用研究[D].青岛：山东科技大学，2007.

[4]施龙青.底板突水机理研究综述[J].山东科技大学学报（自然科学版）,2009，28（3）：17- 24.

[5]张农.巷道滞后注浆围岩控制理论与实践[M].徐州：中国矿业大学出版社，2004.

[6]徐永圻.煤矿开采学[M].徐州：中国矿业大学出版社，1999.

（编辑：樊敏）

Problems and Countermeasures of Mining Above Goaf Induced by Extra-close and Irregular Room-mining

HAN Xinming1,2
(1. College of Mining Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China; 2. Huozhou Coal & Electricity Group, Huozhou 031400, China)

Abstract:In the initial production of the fully- mechanical mining above the goaf induced by room- mining, problems were analyzed and concluded to propose some rational measures. The practice showed that it widely solved the hidden hazards and guaranteed the normal production, which could be the technological reference for miningin the similar geological condition.

Keywords:close and irregular; goafinduced byroom- mining; fully- mechanized mining

作者简介：韩新明（1973-），男，山西霍州人，在读工程硕士，工程师，从事煤矿技术管理工作。

收稿日期：2015- 10- 20

DOI:10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2016.01.018

文章编号：1672- 5050（2016）01- 0062- 03

中图分类号：TD823

文献标识码:A