茅莊煤礦水淹區殘余煤開采技術應用

張作禮

(山東亨達煤業有限公司，山東 寧陽 271405)

近年來，隨著當前社會礦產資源的日益消耗和環境保護要求的不斷提高，很多大中型礦山的可采資源儲量加速消耗，特別是許多老礦山面臨資源枯竭的危機，對礦產資源的綜合利用日趨重要。同時隨著煤礦開采對于環境破壞的日益加重、煤炭開采安全事故頻發，一些小型煤礦逐步關閉，由此帶來的區域性煤炭資源結構性短缺的矛盾逐步顯現。水淹區殘余煤量的回收一直是困擾在煤礦行業中的一道難題。殘余煤復采安全技術研究對資源枯竭的老礦井有著再生的作用并能夠帶來可觀經濟效益及社會效益。水淹區殘余煤問題越來越受到廣大地質工作者的關注[1-4]。山東省菏澤的茅莊煤礦便是較早開展水淹區殘余煤開采技術研究應用的礦山之一。為充分挖掘僅有的煤炭資源，進一步延長礦井服務年限，茅莊煤礦自2007年起就對原三采區水淹區殘余煤的回收進行了有益的研究和實踐[注]①山東省煤田地質局第三勘探隊，山東亨達煤業公司生產礦井地質報告，2008年。。

1 概況

茅莊煤礦處于寧陽煤田(東區)中部地段，總體形態為一走向近EW的單斜構造。主要含煤地層為早二疊世山西組和晚石炭世至早二疊世太原組，煤系和煤層沉積穩定，為華北型含煤建造，礦區內中小型斷層發育[1-4]。山西組和太原組總厚度約為220m。共含煤21層，其中山西組含煤5層(第1,2,3上,3下,4煤)，太原組含煤16層，(第5，6，7，8，9，10，11，12，13，14，15上，15下，16，17，18上，18下煤)，煤層平均總厚14.28m。可采或局部可采者4層，即3上煤層、3下煤層，16煤層、17煤層，平均總厚度為9.52m。除3上煤層為厚煤層，3下煤層為中厚煤層外，其余均為薄煤層。該井田內3上煤層、3下煤層為主采煤層。截至2007年底，礦井剩余地質儲量1636.1萬t，可采儲量298.9萬t，礦井剩余服務年限13.8a。

復采三區為-200m水平的下山采區，井下標高為-200～-270m，地面標高為+66.24～+71.11m，該區采煤工藝為炮采，支護方式為金屬摩擦支柱，該區3煤厚5.5～6.0m，夾石厚度0～1m，根據煤層厚度，設計分一、二分層開采，一分層采用跟頂、底部造假頂開采，二分層開采中應用跟底留頂煤工藝，由于突水，致使一部分二分層工作面沒有開采，加之受當時回采工藝和技術力量所限，該區必然會遺留可供回收的煤量，區段煤柱、邊角煤柱、局部留頂底煤都是復采的主要塊段。

2 影響復采的主要因素

2.1 地質構造

三采區位于F13，F25與F41斷層之間，受其控制，致使采區內斷層發育密集。區內以斷裂為主，地質構造復雜，落差大于10m的斷層有9條，其中落差大于50m斷層就有3條，落差為10～20m的斷層有5條，均為查明斷層，原采區內經實際揭露落差0～5m的斷層較發育，由此可見該采區地質構造極其復雜，給開拓和回采帶來極大的困難。

2.2 水文地質

該區水文地質簡單，充水水源主要為采區底部斷層導水，水源為三灰水。經估算采區積水面積為117128m2，積水量19.6萬m3，積水區標高為-269.12～-200m，水頭值約為70m，動水補給量約為14m3/h，是影響采區復采的主要因素。

3 復采方案

3.1 老空水的疏放

考慮到老空積水的水頭壓力較大，為確保該區的成功開采，決定采用追排水的方法，按照2個階段排放老空水：第一階段先由-200m標高排放至-250m標高；第二階段再由-250m標高排放至-270m標高。

3.1.1 探水三線的確定

第一線為警界線，第二線為探水線，第三線為積水線，以便引起高度重視。隨時觀察迎頭變化情況，發現出水征兆時，立即停止掘進，匯報調度室，采取有效措施，根據已掌握資料，確定從積水線外推100m為警界線，外推40m為探水線，巷道進入警界線要隨時觀察迎頭情況，發現異常情況，提前探水。

3.1.2 積水量的計算

(1)老空區積水量可由下式估算

W=K·M·Lh/sinx

式中：W—老空積水量(m3);x—煤層真傾角(°)；M—煤層實際開采厚度(m)；L—老空區走向長度(m)；h—老空區積水水頭高度(m)；K—老空充水系數(一般取0.3～0.5)。在這里，M=4.5m (回采兩層)；L=245m；h=70m；x=10°；K=0.4 ，取平均值代入上式

W1=0.4×4.5×245×70/sin10 =17.8萬m3

(2)掘進巷道內積水量

巷道長度3750m，寬度2.0m，高度2.0m。積水量W2=3750×2.0×2.0=1.5萬m3。考慮到巷道年久失修、冒頂等因素，巷道積水量按1.8萬m3。總積水量W=W1+W2=17.8+1.8 =19.6萬m3。

3.1.3 水壓的計算方法與鉆具選擇

積水區標高-200.0～-269.12m，水頭高差70.0m，其水頭壓力為7個大氣壓。根據液體在同一深處向各個方向傳遞壓強相同的原理，為此透點的壓強應為：

P=Qah=1000kg/m3×10牛/kg×70.0=700000牛/m2又因最小開孔鉆具為Φ42mm(用Φ42mm鉆頭與老空積水區鉆透)，其透點壓力為：

F=P·S=700000×(42÷2÷1000)2=308.7牛

通過計算，透點的壓力與透點的所需面積成正比，在施工中為加大安全系數，鉆孔在透老空積水區時，應選擇Φ42mm鉆頭，鉆進為最佳。

3.1.4 鉆孔布置

根據已查明資料，決定超前探水孔布置2組，即與巷道傾角一致，每一組鉆孔布置2個鉆孔，各孔之間夾角為30°，各鉆孔間終孔距離根據情況加以控制，超前距為20m，幫距亦為20m。

3.2 巷道布置

利用放水巷道作進風巷，同時可以施工回風巷，但是必須保證放水巷道超前20m。

進風巷布置：在-270車場經“十一”點前10m開門，方位265°坡度+1°30′掘進220m，在此處放出老空積水；然后變方位為309°(改名稱為軌道上山)坡度+12°掘進63m跟上3煤底板；變方位為356°，一直沿3煤底板掘進200m至終點。

回風巷布置：在進風巷265°方位20m處開門，方位為315°坡度+5°掘進30m；然后變方位為265°坡度+4°掘進240m攆3煤底板；變方位為356°(改名稱為回風上山)一直沿3煤底板掘進170m至終點。在終點施工一聯絡巷與進風巷連接形成系統。最后施工采區煤倉和變電所，設計煤倉凈高10m，直徑4m，容積130t。

3.3 先期掘進與回采

巷道斷面大小以滿足通風、運輸及支護材料存放為基本條件。先期掘進進風和回風巷，采用光面爆破，錨網噴支護，半圓拱斷面，巷道規格為2.2m×2.2m。掘進軌道上山、回風上山和采面回采巷道時，采用架棚支護，梯形斷面，巷道凈斷面3.9m2，凈高2.0m，巷道采用礦用11號礦用工字鋼支護。

工作面采用走向長壁后退式回采，懸移支架支護頂板，煤厚大于4.0m時，可以放頂煤開采，采高1.8～2.2m，落煤方式為放炮落煤，人工攉煤，可彎曲刮板輸送機運輸，全部垮落法管理頂板，底板松軟時，支柱必須穿鐵鞋。采用XDY-7型懸移支架，最大控制距3.01m，最小控頂距2.26m，架距1.2m，支護密度0.37架/m2，工作面端頭支護采用4對8架一梁三柱和DW22-30/100單體液壓支柱支護，一梁三柱為3.0m礦用11號“兀”型鋼制成(圖1)。

4 結論

殘余煤復采安全技術研究對資源枯竭的老礦井有著再生的作用并能夠帶來可觀經濟效益及社會效益。復采三區成功開采4年多的時間，共開采煤炭40余萬噸，在礦井接續極為緊張不利情況下充分回收了煤炭資源，進一步延長了礦井服務年限。同時，獲得了許多寶貴經驗和技術資料，對類似條件礦山的煤炭資源回收將提供有益的借鑒。

參考文獻：

[1] 張榮立,何國瑋,李鐸.采礦工程設計手冊[M]. 北京：煤炭工業出版社2008.

[2] 何清琦. 殘余煤復采安全技術研究[J]. 科技信息,2009,(27):348.

圖1 工作面順槽及端頭支護布置示意圖

[3] 朱春華,劉貴,張華興,等. 山柳公路下殘余煤開采設計分析[J]. 煤炭科學技術,2009,(10):109-111.

[4] 張作禮. 高噴灌漿防滲加固技術在菏澤茅莊煤礦主斜井的應用[J]. 山東國土資源,2014,30(8):51-53.