西河煤业复采工作面过采空区技术方案分析

郭晋鹏

(1.山西煤炭运销集团晋城有限公司，山西 晋城 048026； 2.山西煤炭运销集团科学技术研究有限公司，山西 太原 030006)

引 言

矿井整合之前，被整合矿井的采煤方法多为房柱式开采，回采高度在2 m～4 m，资源回收率不到30%，其采空区内仍留有大量的顶底煤和煤柱[1-3]。整合重组后矿井的储量较少，或开采下组煤，经济效益较差[4-5]。西河煤业3#煤层已面临资源枯竭，对3#煤层进行复采，提高煤炭资源回收率，才可能延长矿井服务年限，同时缓解采掘接替紧张的矛盾。本文以西河煤业3#复采煤层作为研究对象，对3#煤层复采区域内的采空区、小窑破坏区、采煤方法和采空区积水情况进行分析，提出西河煤业复采工作面过采空区的技术方案。该研究可以为矿井的复采工作面规划提供依据，提高煤炭生产的安全性和回收率。

1 复采煤层情况分析

3#煤层井田范围内东北部及西北部已局部采空，中南部分布大面积小窑破坏区，为井田现采煤层。3#煤层井田中南部小窑破坏区内分布有大面积的采空区、小窑破坏区、古空区，均为以往小窑2003年以前开采，当时开采期间采煤方法多为房柱式、刀柱式、掘进巷道等，以掘代采并未回采。复采区域的煤层赋存情况大体可分为4种：1) 未被开采的实体煤层和煤柱；2) 底部旧采遗留巷道，巷道之上为未冒落的顶煤；3) 旧采遗留巷道发生垮落，直接顶未发生垮落，空巷被垮落的顶煤充填；4) 旧采时采用巷采方式，沿煤中部回采，顶板未垮落，顶煤冒落未填满空区，形成空区，留有底煤。

本次复采范围为井田中南部小窑破坏区。该区域内煤层实际厚度0 m～7.50 m，其中小窑破坏区范围内西北部煤层破坏较为严重，存在全采空；部分采空煤层残余厚度1.00 m～2.50 m，采空厚度1.15 m～4.05 m，残余煤层厚度占原煤厚度平均为30%。破坏区范围内西北部残存煤层厚度较大，南部残存厚度较小。

采空区积水情况，井田内3#煤层存有大面积的采(古)空区，在采(古)空区内局部地势低凹处存在一定量的积水，这些积水在煤层顶板岩石冒落导水裂隙带或地质构造等不同沟通渠道的作用下，可对煤层井巷产生不同程度的充水。经估算，井田内3#煤层采(古)空积水区有21处，积水区面积166 902 m2，积水量85 943 m3。

复采区沿3#煤层底板布置采区运输巷和回风巷，首采工作面为3301工作面。采煤方法为综放开采，在煤层厚度大于3.0 m的区域采用放煤，在煤层厚度小于3.0 m的区域禁止放煤。3301工作面运输顺槽沿三采区西北部井田边界布置，留20 m煤柱，沿3#煤层底板布置，与三采区运输巷连接，形成工作面运煤系统，担负工作面的主运输任务，为工作面的进风巷兼作工作面安全出口。3301工作面回风顺槽沿3#煤层底板布置，与三采区回风巷连接，形成回风系统，同时通过联络巷与三采区运输巷连接，担负工作面的辅助运输任务，为工作面的回风巷兼作工作面安全出口。运输顺槽和回风顺槽均为矩形断面，巷道净宽4.0 m，净高3.0 m，净断面积为12.00 m2。3301开切眼垂直于工作面顺槽，与西部井田边界留设20 m保护煤柱，沿3号煤层底板布置。切眼沿煤层底板掘进，采用矩形断面，巷道净宽6.5 m，净高2.2 m，净断面积为14.3 m2。

2 掘进工作面过采空区技术方案分析

掘进工作面遇采空区时，遇到的主要问题为采空区积水、瓦斯积聚、有害气体、顶板冒落等，主要从水害防治和顶板支护2个方面提出技术方案。

2.1 水害防治

采用瞬变电磁法对积水情况进行超前探测，探测仪器为YCS40矿用本安型瞬变电磁仪。1) 测线、测点布置。测线在掘进工作面迎头水平由左向右和垂直2个方向布置，布置2条线，水平方向扫描左右各80°范围，每10°布置1个测点，共19个测点，垂直方向相似，扫描上下各80°范围，每10°布置1个测点，共19个测点。2) 顶底板探测。从物探起点由上向下进行探测，起始角度为0°，角度差10°共探测19个测点。3) 左右帮探测。从物探起点由左向右进行探测，起始角度为0°，角度差10°共探测19个测点。4) 超前距和帮距。每掘进70 m进行一次物探；巷道超前距和帮距控制在20 m范围内。

采用探水钻机进行钻探，配合Ф75 mm硬质合金钻头，1.5 m中空光圆钻杆，水力排粉，钻孔采用无芯钻进。钻孔布置设计参数，每次钻探共设计4个钻孔，每组钻孔深度沿巷道掘进方向按75 m设计，斜长约108 m，分别为1#、2#、3#、4#钻孔，其中1#、2#、4#呈水平布置，1#孔沿巷道中心钻进，2#、4#孔控制左右帮与1#钻孔水平夹角为12°，目的是探测前方掘进区域内有无水患。3#孔垂直向上布置，钻孔寻顶钻进，目的是探测掘进前方的顶板富水情况。

2.2 顶板支护方案

3#煤层直接顶板为泥岩、砂质泥岩；老顶为细粒砂岩、砂泥岩互层等；底板为泥岩、砂质泥岩、细粒砂岩。

经调查及西河煤业已施工巷道揭露小煤窑空巷情况，其空巷保留情况较好，煤层较稳定，小煤窑巷道沿煤层底板掘进，上部留有1.5 m左右的顶煤，其顶煤保留完整，没有冒落，顶板支护采用锚网索支护方式，顶锚杆间排距1 000 mm×1 000 mm，设计锚固力120 kN，预紧扭矩为250 N·m；锚索材料为Ф17.8 mm×6 300 mm，间排距1 600 mm×2 000 mm，张拉力不低于150 kN。

当所遇到小煤窑空巷已回采，顶煤或顶板已冒落，支护方式为：1) 当顶板冒落高度不大于2 m，能看到冒落后上方的顶板，顶板相对较完整。采用金属棚+锚杆+锚索+钢筋焊结网，配合木垛接顶支护方式；2) 当顶板冒落高度大于2 m，或冒落区封堵较严实，看不到冒落区上方的顶板，顶板的完整性等情况不清楚，冒落区矸块较大，采用金属棚+菱形金属网支护方式，金属棚采用12号矿用工字钢棚，棚距600 mm。

3 回采工作面过采空区技术方案分析

3.1 空巷揭露措施

在距离空巷剩余2 m时，停止作业、切断电源、撤出人员，准备揭露空巷。揭露空巷前，检测空巷内的瓦斯浓度，若瓦斯浓度低于0.8%时，则采用采煤机割煤的方式直接揭露空巷；若瓦斯浓度高于0.8%时，则按照排放有毒有害气体措施进行作业。工作面与空巷贯通时，经现场检查，证明空巷内的积水、顶板、有害气体等无危险后方可进行贯通。

3.2 空巷顶板支护的处理及通过方法

3.2.1 顶板完整未冒落空巷的通过方法

当空巷完全揭露以后，首先由班组长安排支护人员对旧巷口顶帮进行维护，然后瓦斯检查工使用便携式多参数测定器检测旧巷内的瓦斯、CO2、O2及其它气体浓度并在旧巷口悬挂便携式甲烷检测报警仪。

若旧巷内瓦斯、CO2、O2及其它气体浓度符合《煤矿安全规程》规定时，班组长方可允许作业人员进入旧巷内对旧巷口5 m范围顶帮隐患进行处理并在旧巷5 m位置设置栅栏、警标，严禁擅自进入旧巷。顶帮隐患处理结束且旧巷5 m位置设置栅栏、警标后，则采用点柱进行临时支护，在临时支护下进行打木垛永久支护。

在旧巷内点柱、木垛支护时必须坚持按由外向里的原则，支护长度不小于距煤壁法线距离20 m。旧巷支护前必须先对旧巷口顶板进行加强支护，旧巷完好时采用木点柱支护，点柱布置两排，柱距1.2 m。支护必须顶底接实，旧巷顶板不完好时采用井字型木垛支护。在旧巷内每隔3 m支设一个，确保稳定。在丁字口、斜三角处要另打设一个木垛。木垛必须与空巷顶帮接实。旧巷内有旧轨道、铁块等废旧材料要进行回收，防止割煤时损坏采煤机。

回柱、支护作业前必须进行压力观测，发现顶板有异常响动或木柱有开裂、弯压现象(顶板掉渣、片帮)、即冒顶预兆，严禁人员进入空巷作业，替柱作业过程中工作面支架严禁操作，将采煤机刮板机停电闭锁。

支护完成后在空巷内铺设杂木，杂木选用直径不小于12 cm的木材，杂木铺设平整，铺设高度至与现在工作面底板平直、确保工作面设备能够顺利通过。

揭露空巷后如果发现工作面与空巷斜交，则工作面通过空巷时的推进方向与原推进方向一致；如果空巷与工作面平行，先调整工作面的推进方向，使其与空巷有一定的夹角，逐段通过空巷。采煤机割煤时，要严格控制端面距，减少片帮煤，提高牵引速度，加快过空巷的速度。加强组织，缩短工期，加快工作面推进速度，避免工作面压力增大，造成压架等事故。

3.2.2 顶板破碎或冒落空巷的通过方法

跟班领导检查指导，班组长统一指挥，安全员现场监督，仔细观察漏顶范围及周边情况，并及时准备各种支护材料，确保本工作面安全生产。处理漏顶前，将采煤机开出漏顶地段，停止采煤机运转。开动刮板输送机将部分煤矸拉出，待工作面停止冒落并且停机闭锁刮板输送机后方可开始处理。

工作面遇大块矸石时，严禁使用割煤机强行破碎。矸石长度大于1 m时，采用浅眼爆破法进行破碎处理，爆破时，必须利用废旧皮带对工作面支架、供电电缆、液压管等设备设施进行安全防护；矸石长度小于1 m时，采用人工使用风镐破碎法进行处理，在工作面处理矸石时，必须停机闭锁采煤机和工作面刮板输送机，人工将矸石搬至支架与支架之间的空间内。

将铁丝网缠在木梁上，木梁垂直于工作面布置，使用单体将液压支柱戗木梁的方式将铁丝网支在破碎顶板上，伸出相邻液压支架的前探梁，将木梁和铁丝网压入液压支架前探梁上控制破碎顶板。在支架掩护下拉动输送机处理掉煤矸后，再用同样的方法移架控制顶板。铁丝网剩余宽度600 mm时及时向前续接联网，铁丝网搭接长度不小于300 mm，绑丝间排距不大于100 mm×100 mm，用16号联网铁丝双股扭三圈。所有金属网必须撑紧、铺整齐，移架时不准出现撕网现象。若上述支护方法后顶板仍继续冒落，则采用在破碎煤帮内向下斜插入单体液压支柱，单体液压支柱上面搭设一根3 m长木梁，木梁直径不小于12 cm，平行于工作面布置，补强支护阻止破碎煤矸继续冒落，单体液压支柱间距为2 m，单体液压支柱支设时互相替换支护，以采煤机滚筒割不到为标准。顶板破碎无法使用上述方法时，采用穿针的方法进行临时支护，采用人工配合大锤在穿针尾端砸，一端与工作面支架使用40T刮板机链吊环固定连接，防止顶板矸石冒落伤人。处理漏冒顶前先清理好退路，若漏矸严重，严禁强行开动刮板输送机，矸石块大时，要先处理，以免拉断刮板链和顶坏设备。

4 结论

以西河煤业3#煤层作为复采煤层，对其3#煤层井田范围内的采空区、小窑破坏区、采煤方法和采空区积水情况进行了分析，提出了掘进工作面过采空区和回采工作面过采空区的技术方案，在此基础上，应进一步运用调查、勘探、物探、钻探等多种手段，尽可能准确查明采空区、空巷的位置、范围以及其中的积水、积气等情况；在巷道掘进过程中遇到的各种情况，应详细记录，并在图纸上标明；严格执行一空区、一措施原则，每遇到一处采空区、空巷，均应制定专门的安全技术措施，做到有针对性；在复采过程中，必须加强矿压监测手段，随时进行矿压观测，掌握复采区采场矿压显现规律，为后续工作面采场管理提供理论依据。