峁底煤矿老窑破坏区残煤复采工艺研究

张 童

(华润煤业(集团)有限公司，山西省太原市，030006)

20世纪90年代以前，我国煤炭工业的发展受开采工艺、装备制造能力和人员素质等方面的限制，多数井工煤矿采用巷柱式、房柱式或刀柱式等方法进行开采，资源回收率仅29%左右[1-2]。受采空区遗留煤柱、边角煤和水、火、瓦斯等致灾因素的影响，复采工作面条件复杂。虽然国内外不少煤炭专家和技术人员针对短壁综放、高档普采放顶煤、短壁炮采、综采放顶煤等不同类型复采工艺进行了研究和探索[3-4]，但由于老窑破坏区积水、积气、顶板、底板等地质条件复杂，工程实践较少，现有的老窑破坏区复采理论和技术还远不能够满足复杂条件下特厚煤层残采区的煤炭资源安全高效回采。

山西吕梁峁底煤矿根据矿井生产规划和正常采掘接替，后续工作面要布置在老窑的“老空老巷”破坏区下，一定程度上给矿井的安全高效开采带来较大困难，主要体现在老窑的“老空老巷”破坏区分布范围不清、层位不明，回采过程中存在较大安全隐患；老窑破坏区煤层由于经过采动破坏，导致矿山压力显现规律复杂等。因此，老窑破坏区下安全高效开采是该矿亟待解决的难题。

1 矿井概况及复采研究区域范围

1.1 矿井概况

峁底煤矿位于山西兴县县城东南5 km处，为整合矿井，井田面积5.5105 km2，产能0.9 Mt/a，主采13#煤层平均厚度12.08 m，平均倾角8°，顶板为粗砂岩、泥岩，底板为泥岩，水文地质类型为中等，属低瓦斯矿井，易自燃煤层。矿井采用斜—立混合开拓方式，即主斜井、副斜井和回风立井。矿井采用中央并列式通风，主、副斜井进风，回风立井回风。

1.2 复采研究区域

峁底煤矿的一采区、二采区13201和13202工作面已回采完毕，13203工作面目前正在回采，其北侧的13204及13025工作面等均在老窑破坏区内。将二采区13203工作面北侧、煤矿发火区以南、一采区东侧至井田边界的区域定义为复采研究区域，面积为1.16 km2。

2 研究区域老窑破坏区分布和积水、积气情况

通过对老窑开采图纸和相关资料分析，结合地质勘查、现场探测及揭露情况，确定了老巷分布、老窑开采层位及采空区分布情况，空巷位置及老窑采空区分布如图1所示。

2.1 研究区域老窑破坏区分布情况

2.1.1 老巷分布和开采层位

图中蓝色粗实线均为13202、13203工作面在巷道掘进过程中揭露的多条老巷。老巷为矩形断面，断面尺寸约为3 m×2.5 m，布置在煤层中部，距回采巷道顶板平均为2.2 m，距煤层底板平均为5.4 m。

2.1.2 老空区分布情况

根据收集到的老空区资料对老空区进行编号，并对破坏面积进行了统计。根据已探明老巷的层位和标高判断该矿老巷沿煤层中部布置，距煤层底板平均5.4 m，推测该矿主要开采13#煤层上部厚度平均为6.68 m(含夹矸)的煤炭资源。研究区内老空区总面积0.395 km2，采出率约为18.4%。

2.2 研究区域积水、积气情况及其防治措施

2.2.1 研究区域积水情况及其防治措施

以地面瞬变电磁法所采集的资料为基础，对测区内13#煤层附近位置的相对富水异常区进行划分并编号，并结合采空区的分布，得出研究区域强富水区域采空区位置，如表1所示。研究区域地面勘探异常区分布与采空区位置对照分布如图2所示。

图1 老窑破坏区复采研究区域

表1 研究区域富水区域分布

图2 13#煤层准平面切片成果

异常区A-2、A-3、A-4、A-5、A-8为强富水异常区，对应的采空区1、2、3、4和7存在大量的积水，会对研究区域复采产生较大的影响。

峁底矿在处理水害隐患时以防为主，再辅以物探、钻探、化探、钻孔内窥等综合探测手段，尽量将水害扼杀在萌芽状态，采取防治结合的综合治理手段，确保了各开拓掘进区域以及回采工作面安全施工。

2.2.2 研究区域积气情况

井下各采空区因开采时间久远且空间封闭、通风不畅，会有二氧化碳、沼气等有害气体积存。特别是关闭时间长的采空区，多年形成的有害气体会随时间的积累，长期不通风造成浓度越来越大。根据揭露的老巷及掘巷过程中涌出气体的检测，采空区内积气含量不高，风排后对复采无影响。

3 研究区域复采方案

3.1 复采工作面设计

3.1.1 复采工作面长度

工作面长度是决定产量和效率的主要因素[5]。峁底煤矿13#煤层的倾角为8°，厚度为12.08 m，工作面的合理长度范围为150～240 m。结合13203工作面已有设备配套等情况，复采工作面长度仍沿用160 m。

3.1.2 工作面间煤柱宽度

基于弹性核理论对煤柱宽度进行合理计算，以13204和13205工作面为例进行说明，如图3所示。

煤柱宽度计算式为：

B=X1+X2+X3

(1)

式中：X1——工作面侧煤柱塑性区宽度，m；

X2——采空区侧塑性破坏区宽度，m；

X3——弹性核区宽度，m。

按照经验，选取弹性核区X3的宽度为X1+X2。

根据岩体极限平衡理论，塑性区宽度X1表达式为：

(2)

式中：K——应力集中系数；

P——支架对煤帮的阻力，MPa；

M——煤层开采厚度，m；

C——煤体黏聚力，MPa；

φ——煤体内摩擦角，(°)；

f——煤层与顶底板接触面的摩擦因数；

γ——岩层的体积力，kN/m3；

H——煤层的埋深，m；

ξ——三轴应力系数。

图3 区段煤柱分区示意图

根据13204工作面开采条件，13#煤层平均厚度为12.08 m，煤层内摩擦角为25°，黏聚力为1.6 MPa，根据该区域经验值，采空区侧支护阻力取0.25 MPa，f取0.4，工作面侧应力集中系数取4，上覆岩层平均体积力取25 kN/m3，煤层平均埋深取233 m，则工作面侧煤柱的塑性宽度X1=8.58 m。

计算支承压力下的塑性破坏宽度X2，采高取3.2 m，应力集中系数取2.5，则采空区侧塑性破坏区宽度X2=1.72 m。

由式(1)可求得煤柱宽度B为20.6 m。则区段煤柱宽度应不小于20.6 m。结合现场情况，工作面煤柱宽度取25 m。

3.2 复采工作面布置

根据研究区域内老空区破坏情况及水文地质条件，由13204工作面向北可依次布置13205、13206、13207、13208共4个复采工作面。回采顺序依次为13205、13206、13207、13208工作面。研究区域内复采工作面布置如图4所示。

根据峁底煤矿瓦斯、采区涌水情况，单巷布置可以满足要求。13205复采工作面上方有采空区7、采空区8和多条老巷，工作面倾向长1020 m。13206复采工作面上方由采空区5、7、8、9共4个老空区，运输巷长1125 m，回风巷990 m，停采线与下个工作面开拓巷道留50 m安全距离。13207工作面上方有采空区4、5、6共3个采空区，运输巷长800 m，回风巷长670 m。13208工作面上方有采空区2、3、6共3个采空区，两巷道长度均为380 m。

图4 研究区域复采工作面布置示意图

复采巷道布置于老空区下方，要根据巷道顶板煤层的不同状态，采取分区动态支护和支护参数合理选择控制的对策[6]。

3.3 研究区域可回收资源量、服务年限及采煤工艺

3.3.1 研究区域可回收资源量及服务年限

复采区域内13205、13206、13207、13208工作面采出的煤炭总量即为研究区域复采的回收煤炭量。4个复采工作面的剩余煤炭资源量统计如表2所示。经计算，研究区域4个复采工作面可回收煤炭量为375.6万t，复采可服务年限约为3年。

3.3.2 采煤工艺确定

针对复采区域地质条件和煤层赋存特征，以及工作面过老空区煤层厚度不稳定的特点，结合峁底煤矿现回采工艺、复采研究区域地质条件、煤层赋存及工人设备操作熟练程度，并借鉴其他煤矿复采成功经验，本次复采仍采用综采放顶煤采煤工艺。

表2 复采工作面剩余煤炭资源量情况

3.3.3 工作面采高

研究和实践证明，当加大工作面的采高时，工作面顶板压力随之增大，支架受偏心载荷影响，稳定性变差；煤壁前方支承应力集中程度增大，加剧了工作面煤壁片帮和冒顶的程度[8]。峁底煤矿13#煤层裂隙较为发育，采高以3.2 m比较合适，采放比控制在1∶3以内。其中复采区域采3.2 m、放2.2 m，采放比为1∶0.7。

3.4 老窑破坏区顶板控制及支护方式

3.4.1 老窑破坏区顶板结构

厚煤层上分层开采后留下的采空区是否垮落将对下分层复采工作面的顶板维护及矿压显现产生很大影响。老窑开采导致厚煤层上分层内出现煤柱与采空区相互交错的现象，采空区的顶板形态主要可分为顶板垮落、顶板未垮落两种形态；其中顶板垮落状态按不同的垮落程度可进一步分为顶板部分垮落和顶板完全垮落。老窑破坏区结构形态如图5所示。采空区上方顶板是否垮落与采空区两侧煤柱的稳定性和顶板岩层的极限跨距有关。

随着上分层开采尺寸的增大，顶板会逐渐发生破断。顶板的垮落程度对下分层复采工作面的矿压显现有很大影响。根据上分层开采尺度及顶板破坏程度将老窑破坏区结构形态分为以下3种：

图5 老窑破坏区结构形态

3.4.2 过老空区、老巷围岩控制

针对一次采动形成的破碎围岩结构及裂隙发育特点，通过选择合理的充填(注浆)材料、工艺及效果检验方法，确保围岩控制效果。

(1)巷道过空巷措施。巷道过老巷时，需要在空巷顶部进行锚网索主动支护，锚网索支护完成后，再采用木垛进行支护，木垛要求接顶严实，架设至巷道顶板标高时，再进行架棚支护，回采巷道过老空巷支护如图6所示。

图6 巷道过老空支护示意图

(2)巷道揭露采空区围岩控制。采用架棚及棚外注浆方式通过采空区如图7所示。

图7 充填袋架棚支护设计

支护主要采用11#工字钢架棚支护，架棚排距0.6 m，架棚采用2寸钢管整体加固和锁腿锚杆加固。架棚外侧采用充填袋充填加固，以缓冲采空区冒落矸石的冲击维护架棚整体稳定性。充填袋的尺寸为长12 m、宽1.6 m、厚1 m，中部设计3个孔(2个充填孔，1个出气孔)，每掘进2个架棚注浆充填1次。

(3)破碎围岩注浆加固措施。针对巷道顶板破碎区域，进行注浆加固(马丽散)处理，经过注浆处理加固围岩，即可提高巷道的稳定性，又可提高掘进和扩刷速度。破碎围岩注浆钻孔布置如图8所示。

3.4.3 巷道断面

复采工作面回采巷道的尺寸要与生产能力相匹配，能够满足通风、行人、运输及设备安装的要求，巷道断面尺寸如表3所示。

表3 工作面回采巷道断面尺寸

3.4.4 支护方式

按照分区支护和及时主动支护、支护结构强化的原则，针对复采区域巷道顶板煤层的不同状态，结合经济合理性原则，复采工作面回采巷道采用以锚杆支护为基本支护的动态支护方式，如表4所示。

表4 分区动态支护方式

4 主要结论及建议

4.1 主要结论

(1)基本查明了研究区域内老巷的分布层位和断面尺寸、老空区的积水积气情况；老窑均采用壁式炮采落煤法采煤；研究区域内老空区总面积为0.395 km2，老窑的煤炭采出率约为18.4%。

图8 注浆钻孔布置

(2)根据研究区域地质条件，复采工作面长度沿用160 m，工作面间煤柱宽度为25 m。在研究区域内沿13204工作面向北依次布置13205、13206、13207、13208共4个复采工作面依次开采。13205和13206工作面可充分利用二采区大巷，13207和13208工作面需开拓新的大巷。4个复采工作面可回收煤炭资源量为375.6万t，服务年限为3年。

(3)根据复采区域地质条件及煤层赋存特征，采用综采放顶煤采煤工艺，采高以3.2 m比较合适，采放比控制在1∶3以内。其中复采区域采3.2 m，放2.2 m，采放比为1∶0.7。

(4)复采工作面回采巷道采用分区支护、及时主动支护、支护结构强化和经济合理性原则，以煤层顶板结构为指标，以锚杆支护为主、架棚支护为辅的分区动态支护方案。

(5)峁底矿研究区域复采过程中生产成本共计8.90亿元，按340元/t的煤价计算，复采可增加收入12.77亿元，实现利润3.18亿元，经济效益显著。

4.2 建议

(1)加强研究区域老空区回采巷道围岩控制的研究，特别是在老空区下大断面切眼支护方面，为复采工作面快速安全掘进提供理论和技术支持。

(2)峁底煤矿复采工作面过老空区顶板活动特征及矿压规律尚不清楚；因此，建议安装在线矿压检测系统，摸清顶板活动规律，为后续复采工作面开采提供相关技术参考。