中部复杂矿区老矿井持续安全开采谋划与实践

韩春晓，张治军

(平顶山天安煤业股份有限公司 一矿，河南 平顶山 467011)

1 概 况

平煤股份一矿位于我国中原地区，矿井于1959年12月投产，共有3个水平，主采丁、戊组煤层，生产能力400Mt/a。井田内地质构造简单，褶皱一般不发育，大中型断层稀少。水文地质条件简单，充水水源主要是顶板砂岩和老空积水。矿井为煤与瓦斯突出矿井。煤层自然发火期180d。

在历经10a发展后，煤炭行业面临经济下行等不利因素，同时在经历55a开采后，矿井生产条件也发生了很大变化，煤层变薄、地质构造增多，采深大、矿压大、支护效果差。多个水平、多个采区同时生产，系统复杂、战线长，采区接替脱节。开采深度不断增加，由低瓦斯矿井升级为煤与瓦斯突出矿井，瓦斯突出制约了产能的发挥、对安全构成威胁。上述因素削弱了一矿的市场竞争力，制约了矿井的可持续发展。

面对市场和矿井生产经营状况，充分发挥科技的支撑作用，依靠科技进步和创新，在资源挖潜、生产布局、系统优化改造、瓦斯治理、深井支护，机械化、自动化、智能化、无人化等方面取得技术突破，破解一矿在高产高效可持续发展中面临的各种难题，实现矿井安全状况持续稳定好转，推动矿井的可持续发展。

2 关键技术研究

2.1 资源挖潜回采技术

由于深部资源开发滞后，存在采区接替紧张局面，同时部分防突工作面施工进度慢，造成矿井产量不稳定。因此，近几年来，积极寻找并充分挖掘采区边角煤及剩余下分层薄煤层，一方面可以缓解采区接替、利于矿井持续稳定发展，提高企业经济效益；另一方面，可挖潜煤炭资源，提高矿井资源采出率。

2.1.1 资源挖掘手段

(1)查阅钻孔、图纸资料。通过查阅钻孔、回采工作面说明书、回采工作面地质剖面图等相关图件，掌握采面煤厚及上、中分层采高，估算区段剩余煤厚，标注在剩余煤厚平面图上。查阅采掘工程平面图，掌握阶段煤柱及采区间留设的区段煤柱，调查留设不合理的煤柱。

(2)调查回采工艺。由于一二水平始采于上世纪80—90年代，回采工艺技术比较落后，剩余煤厚残留较大。对所有回采工作面回采日期及结束日期、开采层数、各分层使用支架类型及采高情况，逐一进行调查分析，例如戊-17093工作面，分上、中两层开采，上分层使用T13K11型支架，采高2.8m，中分层使用QY-200-14/31型支架，采高2.5m，依据开采厚度确定剩余煤厚。

(3)钻探手段。对以往回采的采煤工作面打钻探测煤厚资料，并进行分析整理，绘制剩余煤厚图。

(4)巷探手段。由于以前的工作面回采时间比较早，局部的资料已收集不到，为确保不漏查，对局部可疑区域采用掘巷的方式进行资源探测。

2.1.2 复采开采技术

通过认真排查研究，共挖掘可供开采的剩余资源工业储量10.24Mt，可采储量9.24Mt。

(1)复采资源回采工艺在初期采用悬移支架回采工艺，后期主要是综合机械化走向长壁后退式采煤工艺开采。综采工艺复采技术在戊0-17113、戊0-17133、戊0-21023采面进行了成功应用，主要采用ZY4000-12/25型液压支架支护顶板， MGTY250/600-1.1D型采煤机，采面采用SGZ-764/500型刮板运输机，机巷采用SGB-620/40型刮板运输机。

(2)复采资源采面布置时要充分考虑采动影响、考虑与邻近煤层巷道的压茬关系，避开应力集中区，同时要保证开采的连续性，合理集中生产，尽快结束复采区域。

(3)掘进及回采期间做好老巷、老空区有害气体、老空水防治工作，确保安全掘进。

2.2 规划实施三水平下延及北三风井工程

为了保证采区接替和充足的战场，进行了深部资源开发，规划实施了三水平下延及北三风井工程。三水平下延范围为南部各煤层-516m等高线，北部为李口向斜轴部，东部为26勘探线，西部边界以现有边界再往西扩800m，东西走向长约6km，南北倾斜宽约4.2km，面积约25.2km2。可采储量155.55Mt，生产能力2.4Mt/a，服务年限57a。新建了北三进风井、回风井，对戊组采区进行了开发，4个戊组采区共圈定储量34.0Mt。

三水平下延的开发为一矿发展提供了新的战场，采区投产缓解了矿井采区接替紧张局面，同时三水平下延西翼采区走向长度达2300m，可布置大采长、大储量工作面，有利于高产高效。

2.3 矿井生产布局规划调整

为保证矿井产量持续稳定，2013年以来，一矿积极制定矿井生产布局调整规划，按照规划实施布局调整，逐步关闭了一水平的1个采区和二水平的3个采区，并加快组织三水平下延各采区投产进度，使矿井生产格局由“七区五面”逐步调整为“三区四面”，实现矿井合理集中生产，简化系统、减少人员投入。

采区关闭主要是安排回采一水平戊七采区、二水平丁戊二采区、二水平丁戊三采区剩余工作面。新采区投产主要是加快三水平下延采区首采面工程进度，保证采面尽快投产。采区关闭情况见表1。

表1 采区关闭情况

通过减少4个采区，压缩了战场、实现合理集中生产。相应减少主运输、辅助运输、供电、供排水、一通三防等人员投入，共减少用工90人/d。

2.4 系统优化和工程设计

2.4.1 矿井通风系统优化改造

加快实施北三主扇工程、改造矿井通风系统。为解决深部主力采区和主力工作面风量不足、高温、安全高效等问题，积极实施井下相关矿建工程和地面北三主扇土建、安装工程。于2016年11月完成北三主扇挂网工作，挂网后为北二主扇分担供风量4000～5000m3/min，有效解决三水平生产用风缺口，解决了三水平采掘工作面高温热害，为矿井深部开发提供可靠的通风保障[2]。

挂网运行后，使戊七通风系统挂网北一通风系统，于2016年12月停运了戊七主扇，消除戊七主扇运行成本，为矿井减少不必要的经营开支。

2.4.2三水平下延戊一上山采区出煤和排矸系统优化

三水平下延戊一上山采区原规划在胶带上山铺设2部胶带，1部出煤、1部排矸。针对采区运煤、排矸系统设备多、巷道断面大、维护难等问题，进行了上带运煤、下带运矸的双向胶带机研究，胶带上山净断面由20.1m2优化至16.7m2。降低巷道掘进、支护、维护费用，以1部胶带机代替2部胶带机，减少了胶带设备投入，共节约1300万元。同时减少了用工和维护工作量，可实现节能，减少1部胶带机的电费。项目实施后，配供电设备减少，减少了电气事故，为突出采区的安全生产创造了条件。

2.4.3 实施机械化换人、自动化减人

采煤工作面通过增加电液控系统、智能泵站系统和自动配比装置监控系统等自动化设备，掘进工作面增加大功率掘进机、液压锚杆钻机、履带挖掘机(钻孔挖掘两用)等设备，优化支护参数，提高掘进支护效率，减少单班下井人数。辅助运输方面推广采用单轨吊运输系统、JWB系列矿用无极绳调速机械绞车进行设备运输，大大提高运输效率及运输安全可靠性。

平煤股份一矿井下供电系统共22个变电所，其中10个变电所陆续通过改造、更换设备实现电气自动化控制，通过地面微机完成远动、保护、操作(防误)、测量、故障录波、事故顺序记录和运行参数自动记录等功能，实现了无人值守。矿井共有3个中央泵房，均已实现无人值守，减少了人员投入。

2.4.4 规划布置大储量工作面

三水平戊一下延、戊二下山及三水平丁二采区新规划工作面及下分层工作面规划布置大采长、大储量工作面，应用1面6巷技术治理瓦斯来增加采长。合理挖潜三水平丁二采区西部丁5煤层可采部分，作为保护层开采后，尽量布置大采长工作面。规划采长200～240m范围[1]，如戊8-32140、戊0-31120、戊0-31140等采面。二水平丁戊二、丁戊三复采采区工作面通过优化，整合为大储量工作面，同时避开老巷对掘进及回采的影响。近3a共规划0.5Mt以上工作面14个、0.8Mt以上工作面9个，并淘汰了0.3Mt以下工作面。

根据三水平下延丁组煤层在矿井东翼东部不可采，厚度仅0.3～1.0m，同时为了增加采区东翼走向长度，布置大走向、大储量工作面，考虑不再布置丁一下山巷道，直接延长丁二采区东翼约800m，使得丁二东翼走向长度达到2500m，采区可采储量可增加2.2Mt，缓解了接替紧张局面，有利于高产高效。节减了丁一下山准备巷道工程量约3600m，节约了开拓准备工期和大量矿建、安装等工程资金。

2.5 强化瓦斯治理

一矿丁组、戊组煤层间距在70m左右，具备开采戊组煤解放丁组煤的条件，同时在戊组煤层内部各层煤分层间合理选择首采层，进而合理确定了煤层组内、组间和单一煤层掘进、采煤工作面瓦斯治理技术路线。强化矿井瓦斯治理，近几年矿井年度瓦斯治理岩巷工程、抽放钻孔、抽放量不断增加。采用穿层钻孔、迎面斜交钻孔、顺层钻孔、采空区埋管(插管)、高位巷抽放及老空区抽放瓦斯等方法治理工作面瓦斯，并据瓦斯来源选择高(低)负压抽放系统进行分源抽放[3]。逐步实现了矿井丁、戊组煤层保护性开采，如戊8-32040、戊8-31140、戊8-31220、戊8-32140等采面均为邻近层开采起到保护作用。实现了瓦斯突出区域安全可控，保证了安全生产，每年矿井安全煤量均保持在6.0Mt以上，能够满足矿井4.0Mt产能需要。

2.6 高地应力支护技术

为了获取矿井深部区域围岩稳定性和地应力数据，据此采取合理的支护方案和支护参数，减少深部区域巷道变形破坏程度，降低巷道维护成本。一矿在矿井深部区域进行了流变应力恢复法测试地应力、跨孔深波围岩松动圈测试实验，并相应采取了支护方案，提高了深部软岩巷道支护效果。

2.6.1 深部区域采用流变应力恢复法

流变应力恢复法能够克服传统水压致裂法、应力解除法需要岩性较好的测试条件，能够进行软弱裂隙围岩的地应力测试，同时还能够长期对3个方向主应力大小进行监测。实验地点选在三水平下延戊一轨道下山550m处，埋深790m，为全岩巷道，试验中分别在巷道底板和帮部钻孔并埋设三向压力盒，三向压力盒放置孔内后进行注浆充填密实，然后进行了6个月的观测分析。流变应力恢复法地应力测试孔布置见图1。

图1 流变应力恢复法地应力测试孔布置

经观测和数值模拟结算，获得该区域地应力数据，最大主应力值为30.6MPa、方位109°、倾角15°,中主应力值为21.4MPa、方位45.8°、倾角74.8°，最小主应力值为19.9MPa、方位19.3°、倾角1.2°。

2.6.2 跨孔声波围岩松动圈测试技术

试验中进行了钻孔、下钢管、管外注浆、管内充水等工作，然后采用专用声波仪和声波探头对两个钻孔间松动圈进行了测试。通过测试，发现总深度20m的钻孔中，0～11m深度范围内岩体较疏松，在11.0～12.0m深度岩层存在松动圈、为围岩破碎带，13m以深为岩性原始完整区域，从而为巷道支护提供了深度上的依据。松动圈声波透射探测孔施工示意见图2。

图2 松动圈声波透射探测孔施工

2.6.3 深部大断面软弱巷道支护技术

一矿三水平下延戊一回风上山标高-800～-950m，埋深950～1080m。布置在戊8煤顶板的砂质泥岩中，为半圆拱形断面，净宽6.0m，净高4.8m。根据测试情况，矿井深部地应力数据较浅部增加明显，局部巷道有严重变形失修现象，针对高地应力、软岩等地质条件，采用了锚网索喷+注浆锚杆+注浆组合锚索支护，一次支护采用锚网喷和普通锚索，二次支护采用注浆锚杆加组合锚索，若达不到支护效果，增加中空注浆锚索加强支护，有效控制了周围岩体变形，降低巷道翻修率[4]。

(1)一次支护锚索3套/排(围岩条件较差时5套/排)。

(2)二次支护锚杆为φ25mm×3000mm的中空注浆锚杆，间排距1500mm，9根/排，配Z2850型树脂药卷，1卷/根；锚杆螺母预紧力不低于30kN。注浆浆液水灰比1∶2～2.5，加水泥重量8%的ACZ-1注浆添加剂，注浆压力>5MPa。喷厚150mm。注浆组合锚索由3根φ22mm×16000mm的钢绞线组合而成，间排距3000mm[5]。

(3)加强支护：采用φ29mm×8300mm中空注浆锚索，间排距1500mm，配Z2850型树脂药卷2卷；张拉预紧力不低于120kN。注浆浆液添加水泥8%的ACZ-1型添加剂，注浆压力>7MPa。

3 结束语

一矿属于典型的中部矿区老矿井，开采时间长、系统复杂、生产效率较低。利用探巷、钻探、地质分析等多种手段对资源进行勘查分析，实施了深部资源开发，为矿井长远发展提供了战场。通过优化布局不断集中生产，减少了生产区域，采区数量由7个减为4个，保证了矿井生产接替正常。大储量工作面为集中生产、单产提高创造了条件，系统优化和机械化、自动化进一步提高了采掘装备水平、减少了人员投入，提高了采掘工作效率。确定多煤层区域瓦斯治理技术路线，采用沿空留巷、Y型通风、多种抽放模式相结合等技术治理瓦斯，解放了生产力、矿井年度安全煤量均在6.0Mt以上，为矿井4.0Mt产能和安全开采奠定了坚实基础，保持了矿井的持续稳定发展。

[1]白锦胜.沙曲矿井设计优化实践[J].煤炭工程，2008(3)：5-7.

[2]何宗礼.十一矿主要通风机改造及通风系统优化研究[J].煤炭技术，2009(2)：12-15.

[3]聂 政.淮北煤田区域性防治煤与瓦斯突出对策[J].煤炭科学技术，2008，36(4)：54-57.

[4]刘泉声，张 华，林 涛.煤矿深部岩巷围岩稳定与支护对策[J].岩石力学与工程学报，2004(21)：3732-3737.

[5]袁 亮，薛俊华，刘泉声，等.煤矿深部岩巷围岩控制理论与支护技术[J].煤炭学报，2011，36(4)：535-543.

[6]万 军.多水平多采区突出矿井安全高效模式研究与实践[J].中州煤炭，2016(6)：44-48.

[7]柯鸿斌.煤炭企业推动安全效益型矿井发展的探索[J].煤炭经济研究，2014(6)：80-82.