近距離不規則房式采空區上行開采存在的問題及對策

韓新明

（1.太原理工大學礦業工程學院，太原030024；2.霍州煤電集團公司，山西霍州031400）

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近距離不規則房式采空區上行開采存在的問題及對策

韓新明1，2

（1.太原理工大學礦業工程學院，太原030024；2.霍州煤電集團公司，山西霍州031400）

摘要：對極近距離不規則房式采空區上綜采工作面生產初期遇到的問題進行分析總結，指出合理的解決對策，實踐表明很大程度上解決了現存的安全隱患問題，保障了工作面的正常生產。為類似近距離不規則房式采空區地質條件上綜采提供了技術參考。

關鍵詞：近距離不規則；房式采空區；綜合機械化開采

某礦是由小煤窯整合而成，井田范圍內原有小煤窯數量較多，賦存有1、2號煤層，2號煤層經原小煤窯部分開采，有采空區2處，2號煤層上部1-101綜采工作面，是礦井設計的首個回采工作面，采用上行綜合機械化開采方式。1-101工作面初采范圍內下部的2號煤層為小煤窯房式采空區，預計小煤窯采空區范圍約12.6萬m2，積水量約為8萬m3，采空區邊界離1-101工作面最小平距僅為140 m左右，且房式采空區分布具體位置未知，殘留煤柱穩定性狀態不清楚，采空區含水及瓦斯狀態不明。此案例屬于極近距離房式采空區上綜合機械化長壁開采，采空區上方遺棄煤層上行開采的礦山壓力顯現特征、頂板控制、安全技術保障等與常規的下行式開采相比均具有特殊性，現有的煤層開采理論和技術不完全適用于殘采區煤層上行開采，尤其對于相對少見的近距離不規則房式殘采區上行開采情況，而國內這方面的理論和實踐極少[1]，缺少成熟的參考案例，這就決定了工作面初采期間面臨有嚴重的安全問題，本文對工作面初采期間存在的問題進行分析，并針對出現的安全問題提出相應的對策。

1　工作面初采期間存在的問題分析

工作面初采期間存在的問題及產生的原因如下：1）低洼區域采空區底板出水。工作面的采動必然會導致底板一定深度的破壞，出現后方采空區底板滲水甚至涌水的現象，由于采場及后方采空區底板大量涌水會導致底板泥巖軟化，強度降低，極可能出現支架、刮板輸送機歪斜、陷底甚至倒架等現象，嚴重影響推進速度，進而加劇底板的破壞和老空水的上涌。產生底板突水的原因是：井田位于汾河西岸且溝谷發育，受天然降水量的影響，附近降水常常匯聚于此，導致形成穩定的活水源，而1-101工作面初采區域煤層賦存較低，周邊采空區大多高于該區域，由于采場覆巖及底板巖層將形成大范圍的導水裂隙帶，所以該裂隙帶必然會對原先穩定的導水通道構成影響，甚至溝通新的充水水源，導致采空區底板滲水涌水等災害的發生。

2）工作面超前區域底板臺階下沉。礦山壓力理論[2]指出，上行開采破壞了采場上覆煤巖層的原始應力平衡狀態，引起巖體應力重新分布。當重新分布后的應力超過煤巖極限強度時，必然引起上覆煤巖層的橫向及縱向變形與破壞。層間巖層的橫向及縱向離層變形主要產生大量采動裂隙，甚至破壞煤層，但隨時間延長，橫向裂隙會重新閉合壓實，而縱向剪切變形則表現為煤巖層發生臺階錯動，破壞煤層結構。某礦由于采空區上部變形破壞嚴重，而煤柱有效支撐的部分破壞程度相對較低，會導致上部煤巖層變形破壞的不均勻性增加。同時在煤柱上部和采空區上部的煤巖層之間具有一定程度的坡度，從而使得臺階現場更加嚴重。

3）礦壓顯現異常。開采區域的底板出現的異常礦壓顯現主要有：底板彎曲下沉、底板有裂隙出現、頂底板臺階下沉、大面積下陷等。由于開采的工作面屬于被動式上行開采，而底板的穩定性決定了煤層及其頂板的礦壓顯現特征，一旦底部向上的支撐力降低，就會導致煤壁片幫、局部冒頂、圍巖變形量大等不利現象。

4）三機工況異常。工作過程中出現了設備竄動、歪斜、傾倒、下陷，其中支架易發生低頭、仰頭、咬架等現象，即所謂的采煤機、液壓支架、刮板輸送機三機不匹配的現象。這是由于底板穩定性不足，支架對頂板的支護質量不易受控制，導致頂板下沉嚴重甚至壓死支架；而回采巷道部分地段一旦出現底板裂隙，容易造成支柱鉆底量大，降低超前支護效果，圍巖變形量積聚增大，巷道斷面有可能無法滿足需要。三機工作狀態的異常不但影響工作面的煤炭產量，同時對工人的生命健康造成巨大威脅，因此必須加以制止。

5）采空區瓦斯溢出。工作面推進過程中，瓦斯沿裂隙或人工鉆孔涌出，給礦工生命安全及采空區安全管理造成巨大威脅。造成瓦斯泄露的主要原因是：采空區內賦存了大量的瓦斯氣體且濃度較高，雖然通過疏水鉆孔排出了大量老空水，但內部瓦斯并沒有得到有效稀釋。在煤層回采過程中強烈的動載影響下，層間巖層裂隙繼續發育，并與上部采掘空間連通，一旦擴散通道具備，將導致采空區瓦斯的溢出。

6）殘留煤柱大面積失穩。工作時伴有煤柱群大面積垮落，導致煤巖層突然處于動態失衡狀態中，并發生工作面及采掘設備顯著沉降。據此分析，可能是由于采空區在長期的老空水浸泡狀況下以及疏水后煤壁裂縫的再次風化，導致了采空區圍巖表面破碎程度加大、有效承載面積進一步減小。同時，由于開采過程中超前支承壓力的作用將進一步使其破壞程度加大，支撐頂板的重量將轉移給周圍的煤柱，即導致了所謂的“多米諾”式效應的發生[3]。

2　工作面初采期間采取的對策

2.1技術路線

通過分析目前工作面初采期間遇到的問題，采取如圖1所示的技術路線，主要從底板排水降壓、底板注漿加固和回采特殊工藝及措施等三個方面進行。

圖1　技術路線

2.2解決對策

1）低洼區域底板排水降壓。由目前的排水情況可知，底板采空區仍存在大量積水，且水位標高高于初采區域最低點。為降低工作面水位，保障低洼處能夠安全推進，采取加大抽排水力度或改進排水方式的措施[4]，即在皮帶巷最低洼處布置小俯角底板排水鉆孔，使得排水孔口標高盡量降低，皮帶順槽排水孔參數如表1所示。

鉆孔施工過程中，鉆孔打透采空區后出水初期水量會較大并伴隨有害氣體的溢出，因此探放水現場一定要有臨時指揮小組，有各分管人員參加，保證鉆孔施工人員的安全。排水過程中，應保證孔內盡可能無堵塞，流水保持暢通，同時在鉆孔孔口處安設法蘭盤、放水三通及壓力表等工具。放水期間進行24 h放水監測，建立統計表備案，作出放水量及水壓變化曲線，實時觀察評估低洼區域排水降壓情況。

表1　皮帶順槽排水孔參數

2）危險區域底板注漿加固。為了預防和控制房式采空區覆巖破壞和下沉，保證上部綜采工作面的安全生產，采用所謂的覆巖結構加固補強法對房式采空區進行處理，即采取注漿加固和強化采空區覆巖結構的方法，充填采動覆巖斷裂帶和彎曲帶巖土體離層、裂縫，使之形成一個剛度大、整體性好的巖板結構，有效抵抗老采空區塌陷的向上發展[5]。在危險區域實施底板注漿加固可以起到提高層間巖層強度和承載能力，預防和控制工作面臺階下沉，以及封閉底板水及瓦斯逸出通道等的作用。底板注漿加固設計的工藝流程，見圖2。

圖2　底板注漿工藝流程

3）提高工作面的推進速度。提高工作面推進速度可縮短采場圍巖破裂演化時間，使得采場始終處于未充分破壞的圍巖環境中。通過現場實際觀測表明，提高推進速度可改善煤壁偏幫，端面頂板破碎，底板下陷等不利礦壓現象，改善采場底板完整性和穩定性。

4）采取特殊回采工藝及措施。面對三機工況異常問題，根據文獻[6]并結合該礦的實際工作情況，采取以下的特殊回采工藝措施。針對采煤機防滑采取的措施：蹬空割煤時，推溜工必須及時跟進頂溜，頂溜處與采煤機后滾筒不得大于5架支架的距離；下行割煤時前滾筒必須切入煤壁；停機時前后滾筒都必須落地，位于機頭的滾筒必須切入煤壁以增加阻力。提高支架橫向穩定性的措施：在工作面支架中設置一組調架機構，并把排頭三架組成錨固站,且在工作面中每隔5～10架支架安裝一組錨固輸送機裝置。為防止刮板輸送機打滑，采取將工作面調斜使支架與煤層走向形成一定角度的措施。

3　結論

本文分析了某礦在工作面初采過程中遇到的問題，并提出了相應的解決對策，總結如下：

1）針對底板突水事故，采取在皮帶巷最低洼處布置小俯角底板鉆打排水鉆孔的措施；采取危險區域底板注漿加固措施，來預防和控制房式采空區覆巖破壞和下沉；采取提高工作面的推進速度，來改善不利的礦壓現象；采取特殊回采工藝措施，來改善三機工況異常問題。

2）生產實踐表明，這些對策很大程度上解決了工作面初期遇到的問題，為近距離不規則房式采空區上綜采提供了技術參考，如果在工作面初采之前就采取相關技術，勢必可以避免出現安全隱患問題。

參考文獻：

[1]張百勝.極近距離煤層開采圍巖控制理論及技術研究[D].太原：太原理工大學，2007.

[2]錢鳴高，石平五，許家林.礦山壓力與巖層控制[M].徐州：中國礦業大學出版社，2010.

[3]尹增德.采動覆巖破壞特征及其應用研究[D].青島：山東科技大學，2007.

[4]施龍青.底板突水機理研究綜述[J].山東科技大學學報（自然科學版）,2009，28（3）：17- 24.

[5]張農.巷道滯后注漿圍巖控制理論與實踐[M].徐州：中國礦業大學出版社，2004.

[6]徐永圻.煤礦開采學[M].徐州：中國礦業大學出版社，1999.

（編輯：樊敏）

Problems and Countermeasures of Mining Above Goaf Induced by Extra-close and Irregular Room-mining

HAN Xinming1,2
(1. College of Mining Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China; 2. Huozhou Coal & Electricity Group, Huozhou 031400, China)

Abstract:In the initial production of the fully- mechanical mining above the goaf induced by room- mining, problems were analyzed and concluded to propose some rational measures. The practice showed that it widely solved the hidden hazards and guaranteed the normal production, which could be the technological reference for miningin the similar geological condition.

Keywords:close and irregular; goafinduced byroom- mining; fully- mechanized mining

作者簡介：韓新明（1973-），男，山西霍州人，在讀工程碩士，工程師，從事煤礦技術管理工作。

收稿日期：2015- 10- 20

DOI:10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2016.01.018

文章編號：1672- 5050（2016）01- 0062- 03

中圖分類號：TD823

文獻標識碼:A