西河煤業復采工作面過采空區技術方案分析

郭晉鵬

(1.山西煤炭運銷集團晉城有限公司，山西 晉城 048026； 2.山西煤炭運銷集團科學技術研究有限公司，山西 太原 030006)

引 言

礦井整合之前，被整合礦井的采煤方法多為房柱式開采，回采高度在2 m～4 m，資源回收率不到30%，其采空區內仍留有大量的頂底煤和煤柱[1-3]。整合重組后礦井的儲量較少，或開采下組煤，經濟效益較差[4-5]。西河煤業3#煤層已面臨資源枯竭，對3#煤層進行復采，提高煤炭資源回收率，才可能延長礦井服務年限，同時緩解采掘接替緊張的矛盾。本文以西河煤業3#復采煤層作為研究對象，對3#煤層復采區域內的采空區、小窯破壞區、采煤方法和采空區積水情況進行分析，提出西河煤業復采工作面過采空區的技術方案。該研究可以為礦井的復采工作面規劃提供依據，提高煤炭生產的安全性和回收率。

1 復采煤層情況分析

3#煤層井田范圍內東北部及西北部已局部采空，中南部分布大面積小窯破壞區，為井田現采煤層。3#煤層井田中南部小窯破壞區內分布有大面積的采空區、小窯破壞區、古空區，均為以往小窯2003年以前開采，當時開采期間采煤方法多為房柱式、刀柱式、掘進巷道等，以掘代采并未回采。復采區域的煤層賦存情況大體可分為4種：1) 未被開采的實體煤層和煤柱；2) 底部舊采遺留巷道，巷道之上為未冒落的頂煤；3) 舊采遺留巷道發生垮落，直接頂未發生垮落，空巷被垮落的頂煤充填；4) 舊采時采用巷采方式，沿煤中部回采，頂板未垮落，頂煤冒落未填滿空區，形成空區，留有底煤。

本次復采范圍為井田中南部小窯破壞區。該區域內煤層實際厚度0 m～7.50 m，其中小窯破壞區范圍內西北部煤層破壞較為嚴重，存在全采空；部分采空煤層殘余厚度1.00 m～2.50 m，采空厚度1.15 m～4.05 m，殘余煤層厚度占原煤厚度平均為30%。破壞區范圍內西北部殘存煤層厚度較大，南部殘存厚度較小。

采空區積水情況，井田內3#煤層存有大面積的采(古)空區，在采(古)空區內局部地勢低凹處存在一定量的積水，這些積水在煤層頂板巖石冒落導水裂隙帶或地質構造等不同溝通渠道的作用下，可對煤層井巷產生不同程度的充水。經估算，井田內3#煤層采(古)空積水區有21處，積水區面積166 902 m2，積水量85 943 m3。

復采區沿3#煤層底板布置采區運輸巷和回風巷，首采工作面為3301工作面。采煤方法為綜放開采，在煤層厚度大于3.0 m的區域采用放煤，在煤層厚度小于3.0 m的區域禁止放煤。3301工作面運輸順槽沿三采區西北部井田邊界布置，留20 m煤柱，沿3#煤層底板布置，與三采區運輸巷連接，形成工作面運煤系統，擔負工作面的主運輸任務，為工作面的進風巷兼作工作面安全出口。3301工作面回風順槽沿3#煤層底板布置，與三采區回風巷連接，形成回風系統，同時通過聯絡巷與三采區運輸巷連接，擔負工作面的輔助運輸任務，為工作面的回風巷兼作工作面安全出口。運輸順槽和回風順槽均為矩形斷面，巷道凈寬4.0 m，凈高3.0 m，凈斷面積為12.00 m2。3301開切眼垂直于工作面順槽，與西部井田邊界留設20 m保護煤柱，沿3號煤層底板布置。切眼沿煤層底板掘進，采用矩形斷面，巷道凈寬6.5 m，凈高2.2 m，凈斷面積為14.3 m2。

2 掘進工作面過采空區技術方案分析

掘進工作面遇采空區時，遇到的主要問題為采空區積水、瓦斯積聚、有害氣體、頂板冒落等，主要從水害防治和頂板支護2個方面提出技術方案。

2.1 水害防治

采用瞬變電磁法對積水情況進行超前探測，探測儀器為YCS40礦用本安型瞬變電磁儀。1) 測線、測點布置。測線在掘進工作面迎頭水平由左向右和垂直2個方向布置，布置2條線，水平方向掃描左右各80°范圍，每10°布置1個測點，共19個測點，垂直方向相似，掃描上下各80°范圍，每10°布置1個測點，共19個測點。2) 頂底板探測。從物探起點由上向下進行探測，起始角度為0°，角度差10°共探測19個測點。3) 左右幫探測。從物探起點由左向右進行探測，起始角度為0°，角度差10°共探測19個測點。4) 超前距和幫距。每掘進70 m進行一次物探；巷道超前距和幫距控制在20 m范圍內。

采用探水鉆機進行鉆探，配合Ф75 mm硬質合金鉆頭，1.5 m中空光圓鉆桿，水力排粉，鉆孔采用無芯鉆進。鉆孔布置設計參數，每次鉆探共設計4個鉆孔，每組鉆孔深度沿巷道掘進方向按75 m設計，斜長約108 m，分別為1#、2#、3#、4#鉆孔，其中1#、2#、4#呈水平布置，1#孔沿巷道中心鉆進，2#、4#孔控制左右幫與1#鉆孔水平夾角為12°，目的是探測前方掘進區域內有無水患。3#孔垂直向上布置，鉆孔尋頂鉆進，目的是探測掘進前方的頂板富水情況。

2.2 頂板支護方案

3#煤層直接頂板為泥巖、砂質泥巖；老頂為細粒砂巖、砂泥巖互層等；底板為泥巖、砂質泥巖、細粒砂巖。

經調查及西河煤業已施工巷道揭露小煤窯空巷情況，其空巷保留情況較好，煤層較穩定，小煤窯巷道沿煤層底板掘進，上部留有1.5 m左右的頂煤，其頂煤保留完整，沒有冒落，頂板支護采用錨網索支護方式，頂錨桿間排距1 000 mm×1 000 mm，設計錨固力120 kN，預緊扭矩為250 N·m；錨索材料為Ф17.8 mm×6 300 mm，間排距1 600 mm×2 000 mm，張拉力不低于150 kN。

當所遇到小煤窯空巷已回采，頂煤或頂板已冒落，支護方式為：1) 當頂板冒落高度不大于2 m，能看到冒落后上方的頂板，頂板相對較完整。采用金屬棚+錨桿+錨索+鋼筋焊結網，配合木垛接頂支護方式；2) 當頂板冒落高度大于2 m，或冒落區封堵較嚴實，看不到冒落區上方的頂板，頂板的完整性等情況不清楚，冒落區矸塊較大，采用金屬棚+菱形金屬網支護方式，金屬棚采用12號礦用工字鋼棚，棚距600 mm。

3 回采工作面過采空區技術方案分析

3.1 空巷揭露措施

在距離空巷剩余2 m時，停止作業、切斷電源、撤出人員，準備揭露空巷。揭露空巷前，檢測空巷內的瓦斯濃度，若瓦斯濃度低于0.8%時，則采用采煤機割煤的方式直接揭露空巷；若瓦斯濃度高于0.8%時，則按照排放有毒有害氣體措施進行作業。工作面與空巷貫通時，經現場檢查，證明空巷內的積水、頂板、有害氣體等無危險后方可進行貫通。

3.2 空巷頂板支護的處理及通過方法

3.2.1 頂板完整未冒落空巷的通過方法

當空巷完全揭露以后，首先由班組長安排支護人員對舊巷口頂幫進行維護，然后瓦斯檢查工使用便攜式多參數測定器檢測舊巷內的瓦斯、CO2、O2及其它氣體濃度并在舊巷口懸掛便攜式甲烷檢測報警儀。

若舊巷內瓦斯、CO2、O2及其它氣體濃度符合《煤礦安全規程》規定時，班組長方可允許作業人員進入舊巷內對舊巷口5 m范圍頂幫隱患進行處理并在舊巷5 m位置設置柵欄、警標，嚴禁擅自進入舊巷。頂幫隱患處理結束且舊巷5 m位置設置柵欄、警標后，則采用點柱進行臨時支護，在臨時支護下進行打木垛永久支護。

在舊巷內點柱、木垛支護時必須堅持按由外向里的原則，支護長度不小于距煤壁法線距離20 m。舊巷支護前必須先對舊巷口頂板進行加強支護，舊巷完好時采用木點柱支護，點柱布置兩排，柱距1.2 m。支護必須頂底接實，舊巷頂板不完好時采用井字型木垛支護。在舊巷內每隔3 m支設一個，確保穩定。在丁字口、斜三角處要另打設一個木垛。木垛必須與空巷頂幫接實。舊巷內有舊軌道、鐵塊等廢舊材料要進行回收，防止割煤時損壞采煤機。

回柱、支護作業前必須進行壓力觀測，發現頂板有異常響動或木柱有開裂、彎壓現象(頂板掉渣、片幫)、即冒頂預兆，嚴禁人員進入空巷作業，替柱作業過程中工作面支架嚴禁操作，將采煤機刮板機停電閉鎖。

支護完成后在空巷內鋪設雜木，雜木選用直徑不小于12 cm的木材，雜木鋪設平整，鋪設高度至與現在工作面底板平直、確保工作面設備能夠順利通過。

揭露空巷后如果發現工作面與空巷斜交，則工作面通過空巷時的推進方向與原推進方向一致；如果空巷與工作面平行，先調整工作面的推進方向，使其與空巷有一定的夾角，逐段通過空巷。采煤機割煤時，要嚴格控制端面距，減少片幫煤，提高牽引速度，加快過空巷的速度。加強組織，縮短工期，加快工作面推進速度，避免工作面壓力增大，造成壓架等事故。

3.2.2 頂板破碎或冒落空巷的通過方法

跟班領導檢查指導，班組長統一指揮，安全員現場監督，仔細觀察漏頂范圍及周邊情況，并及時準備各種支護材料，確保本工作面安全生產。處理漏頂前，將采煤機開出漏頂地段，停止采煤機運轉。開動刮板輸送機將部分煤矸拉出，待工作面停止冒落并且停機閉鎖刮板輸送機后方可開始處理。

工作面遇大塊矸石時，嚴禁使用割煤機強行破碎。矸石長度大于1 m時，采用淺眼爆破法進行破碎處理，爆破時，必須利用廢舊皮帶對工作面支架、供電電纜、液壓管等設備設施進行安全防護；矸石長度小于1 m時，采用人工使用風鎬破碎法進行處理，在工作面處理矸石時，必須停機閉鎖采煤機和工作面刮板輸送機，人工將矸石搬至支架與支架之間的空間內。

將鐵絲網纏在木梁上，木梁垂直于工作面布置，使用單體將液壓支柱戧木梁的方式將鐵絲網支在破碎頂板上，伸出相鄰液壓支架的前探梁，將木梁和鐵絲網壓入液壓支架前探梁上控制破碎頂板。在支架掩護下拉動輸送機處理掉煤矸后，再用同樣的方法移架控制頂板。鐵絲網剩余寬度600 mm時及時向前續接聯網，鐵絲網搭接長度不小于300 mm，綁絲間排距不大于100 mm×100 mm，用16號聯網鐵絲雙股扭三圈。所有金屬網必須撐緊、鋪整齊，移架時不準出現撕網現象。若上述支護方法后頂板仍繼續冒落，則采用在破碎煤幫內向下斜插入單體液壓支柱，單體液壓支柱上面搭設一根3 m長木梁，木梁直徑不小于12 cm，平行于工作面布置，補強支護阻止破碎煤矸繼續冒落，單體液壓支柱間距為2 m，單體液壓支柱支設時互相替換支護，以采煤機滾筒割不到為標準。頂板破碎無法使用上述方法時，采用穿針的方法進行臨時支護，采用人工配合大錘在穿針尾端砸，一端與工作面支架使用40T刮板機鏈吊環固定連接，防止頂板矸石冒落傷人。處理漏冒頂前先清理好退路，若漏矸嚴重，嚴禁強行開動刮板輸送機，矸石塊大時，要先處理，以免拉斷刮板鏈和頂壞設備。

4 結論

以西河煤業3#煤層作為復采煤層，對其3#煤層井田范圍內的采空區、小窯破壞區、采煤方法和采空區積水情況進行了分析，提出了掘進工作面過采空區和回采工作面過采空區的技術方案，在此基礎上，應進一步運用調查、勘探、物探、鉆探等多種手段，盡可能準確查明采空區、空巷的位置、范圍以及其中的積水、積氣等情況；在巷道掘進過程中遇到的各種情況，應詳細記錄，并在圖紙上標明；嚴格執行一空區、一措施原則，每遇到一處采空區、空巷，均應制定專門的安全技術措施，做到有針對性；在復采過程中，必須加強礦壓監測手段，隨時進行礦壓觀測，掌握復采區采場礦壓顯現規律，為后續工作面采場管理提供理論依據。