浅谈小煤矿破坏区煤炭资源复采回收技术

程树奎

(山西科兴能源发展有限公司 前和煤矿，山西 高平 048400)

1 小煤矿采空区类型及特点

根据国内相关研究成果及走访调查省内多个矿区探测、揭露小煤矿破坏区现场状况，综合分析小煤矿采空区类型分类如下：

1.1 按顶板稳定性、采空区空间划分

不论是小煤矿房柱式采空区、仓储式采空区，还是壁式全部垮落法回采的采空区，采空区周围会发生坍塌等变化，应力就会重新分布达到新的平衡。下面将采空区划分为以下三类：

第一类：空洞型采空区，简称空洞区。煤层被采空后，由于煤柱间距较小，煤柱间顶板悬而未垮落的状态。采空区内留有较大空间，冒落煤矸石并未充填或未完全密实充填。

第二类：充填型采空区。煤层被大面积采掘完之后，垮落未充满空区的顶板结构是由于煤柱间的尺寸大于直接顶的极限跨距，矿山压力作用下直接顶发生垮落而老顶发生变形未垮落时的状态。

第三类：塌陷型采空区。煤层被采后，由于煤柱间留设的距离相对而言比较大，在上覆盖岩层重力的作用下，煤柱间的直接顶和老顶全部垮落充满采空区的状态，煤层的顶板在重力垂直作用及上覆岩层水平作用之下，发生变形、破碎及坍塌。

1.2 按采煤工艺划分

由于小煤矿生产工艺较为落后，生产技术条件各不同，出现了不同类型的采煤方法。基本上分为壁式和柱式采煤法两类。

第一类：壁式采煤法。采煤工作面至少有两条巷道组成，一条巷道用于通风，另一条用于运输。

第二类：柱式采煤法。其中包括房式、房柱式和巷柱式三种类型采煤法。

2 回采巷道穿越小煤矿采空区掘进支护技术

巷道掘进过程中，将原岩应力平衡状态打破，应力重新进行分布。巷道应力重新分布过程中，引起巷道周围形成非弹性变形区。在非弹性变形区内出现了不同的变形过程：弹性变形过程、弹塑性变形过程及岩石破碎过程。为确保巷道支护强度能够满足安全生产的需求，通常采用矿用12号工字钢架棚或者“U”形钢支架进行巷道支护，并对架棚采用多种加固技术进行整体加固以保证稳定性和支护强度。

2.1 小煤矿采空区有冒落矸石时的掘进穿越技术

小煤矿采空区有冒落矸石时，属于充填型小煤矿采空区。巷道穿越此类采空区时，采空区下部有一定的实体煤或和冒落煤矸石。冒落煤矸石自身无支护能力和稳定性。在掘进前采用超前注浆对冒落矸石加固后，其固结体具备一定稳定性。采空区内如果存在积水，则在巷道掘进前提前排放。

巷道掘进前先对冒落矸石超前注浆，保持冒落煤矸具有一定稳定性。巷道掘进时，采用撞楔法维护临时顶板稳定，并采用单体柱作为临时支护，然后采用架棚支护，并采用圆钢撑杆对钢棚进行连接固定，保证钢棚整体稳定性。由于顶板比较破碎必须严格执行短掘短支制度。单体柱和圆木梁配合临时支护。临时支护方式及钢钎穿设方法如图1所示。

图1 小煤矿采空区有冒落矸石时掘进巷道支护示意

2.1.1 临时支护方式

撞楔法用穿钎超前控顶，单体柱和圆木梁配合临时支护。钢钎选用圆钢进行制作，平均长度为3 m。DW-31.5型单体柱2根；200 mm×4 000 mm圆木梁1根。

2.1.2 钢钎穿设方法

1) 穿设钢钎间距根据现场实际情况进行穿设，穿设钢钎间距为200～800 mm(钢钎安设间距选择以有效控制旧巷煤矸不发生冒漏和压垮钢钎为宜，根据现场情况进行调整)。

2) 在钢钎穿设过程中，为防止所穿设钢钎或圆钢钻杆遇煤帮松动等情况时滑落伤人，每穿设完一根钢钎或圆钢钻杆必须于尾部用铁丝栓于前一架钢梁上方金属网上。

3) 钢钎安设后，允许施工施工距离为1 500～1 800 mm，施工距离达1 500～1 800 mm后再次安设钢钎进行超前控顶，依次交替施工；若架棚顶部煤质松散出现漏煤时，循环架棚距离不得超过1 500 mm。

4) 钢钎安设时，采用凿岩钻机进行钻孔。钻孔位置为距离底板高度3 000 mm，紧贴钢棚支护垂直向前进行钻孔；钻孔深3 000 mm；钻孔呈上仰角度进行钻孔，上仰角度控制在1～3°间；中部钻孔按照巷道方位角进行钻孔，两侧钻孔分别向煤帮侧倾斜10～15°进行钻孔。

5) 在穿设钢钎超前控顶的情况下，工作面迎头利用单体柱与木梁在钢钎下方支设进行临时支护，临时支护安设在待安设钢棚100 mm位置为宜。

6) 在穿设钢钎超前控顶的情况下，若钢钎安设困难可采取顶锚杆进行临时超前控顶，但不取代钢钎支护作用，在满足钢钎安设要求情况下必须立即安设钢钎超前控顶。

2.1.3 小煤矿采空区充填技术

根据徐州和盛矿业科技有限公司材料实验室试验结果，参考走访调查省内多个煤矿井下工程实践，综合考虑井下施工条件、工作面超前支承应力的作用效果、浆液固结强度及材料消耗等因素，确定通过小煤矿破坏区时充填材料的水灰比为5∶1，具体充填方案如下：

1) 从回采巷道迎头打钻孔并采用低水灰比材料注浆，将工作面迎头旧巷侧煤壁封闭并加固破碎煤岩体。

2) 采用探水钻打孔，钻头直径50 mm，总的原则是每排布置2个钻孔，下面一个钻孔终孔位置位于冒落矸石区，若不塌孔可不下套管；上面一个钻孔终孔位置位于空区，并用D50 mm的PVC管作为套管。钻孔排距5～6 m。部分钻孔的孔深及仰角如图2所示(因旧巷冒落情况不明，故孔深及仰角需根据现场情况进行调整)。

图2 小煤矿采空区注浆孔布置示意(m)

3) 为降低充填成本，充填时将旧巷分成三层，形成软硬软的“三明治”结构：底层为从底板以上至3 m，中层为3～3.8 m，顶层为3.8 m以上，底层和顶层材料的水灰比为5∶1，中层的材料水灰比为4∶1。

2.2 小煤矿采空区无煤矸石时的掘进穿越技术

巷道穿越无冒落煤矸石小煤矿采空区时，一般为保证架棚稳定性，需要架棚底部有所固定。一般小煤矿采空区留有底煤，如果其无底煤，应破底掘进。在工字钢巷及外帮铺设充填袋，进行架棚外注浆充填，形成稳定抗冲击支护体。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。具体掘进支护方式如图3所示。

图3 小煤矿采空区掘进支护示意

3 结 语

充填复采处理小煤矿采空区能够提高资源回收率，解放大量呆滞煤炭，使煤炭资源回收率达到65%～70%，显著提高矿井的经济效益。实践证明充填复采处理采区内小煤矿采空区是一种行至有效的方法。小煤矿破坏区遗留资源复采技术性研究取得的成功，为小煤矿破坏区资源复采回收提供安全高效的方法，对全国类似条件下的煤层开采具有十分重大指导意义，具有普遍推广价值。