淺談小煤礦破壞區煤炭資源復采回收技術

程樹奎

(山西科興能源發展有限公司 前和煤礦，山西 高平 048400)

1 小煤礦采空區類型及特點

根據國內相關研究成果及走訪調查省內多個礦區探測、揭露小煤礦破壞區現場狀況，綜合分析小煤礦采空區類型分類如下：

1.1 按頂板穩定性、采空區空間劃分

不論是小煤礦房柱式采空區、倉儲式采空區，還是壁式全部垮落法回采的采空區，采空區周圍會發生坍塌等變化，應力就會重新分布達到新的平衡。下面將采空區劃分為以下三類：

第一類：空洞型采空區，簡稱空洞區。煤層被采空后，由于煤柱間距較小，煤柱間頂板懸而未垮落的狀態。采空區內留有較大空間，冒落煤矸石并未充填或未完全密實充填。

第二類：充填型采空區。煤層被大面積采掘完之后，垮落未充滿空區的頂板結構是由于煤柱間的尺寸大于直接頂的極限跨距，礦山壓力作用下直接頂發生垮落而老頂發生變形未垮落時的狀態。

第三類：塌陷型采空區。煤層被采后，由于煤柱間留設的距離相對而言比較大，在上覆蓋巖層重力的作用下，煤柱間的直接頂和老頂全部垮落充滿采空區的狀態，煤層的頂板在重力垂直作用及上覆巖層水平作用之下，發生變形、破碎及坍塌。

1.2 按采煤工藝劃分

由于小煤礦生產工藝較為落后，生產技術條件各不同，出現了不同類型的采煤方法。基本上分為壁式和柱式采煤法兩類。

第一類：壁式采煤法。采煤工作面至少有兩條巷道組成，一條巷道用于通風，另一條用于運輸。

第二類：柱式采煤法。其中包括房式、房柱式和巷柱式三種類型采煤法。

2 回采巷道穿越小煤礦采空區掘進支護技術

巷道掘進過程中，將原巖應力平衡狀態打破，應力重新進行分布。巷道應力重新分布過程中，引起巷道周圍形成非彈性變形區。在非彈性變形區內出現了不同的變形過程：彈性變形過程、彈塑性變形過程及巖石破碎過程。為確保巷道支護強度能夠滿足安全生產的需求，通常采用礦用12號工字鋼架棚或者“U”形鋼支架進行巷道支護，并對架棚采用多種加固技術進行整體加固以保證穩定性和支護強度。

2.1 小煤礦采空區有冒落矸石時的掘進穿越技術

小煤礦采空區有冒落矸石時，屬于充填型小煤礦采空區。巷道穿越此類采空區時，采空區下部有一定的實體煤或和冒落煤矸石。冒落煤矸石自身無支護能力和穩定性。在掘進前采用超前注漿對冒落矸石加固后，其固結體具備一定穩定性。采空區內如果存在積水，則在巷道掘進前提前排放。

巷道掘進前先對冒落矸石超前注漿，保持冒落煤矸具有一定穩定性。巷道掘進時，采用撞楔法維護臨時頂板穩定，并采用單體柱作為臨時支護，然后采用架棚支護，并采用圓鋼撐桿對鋼棚進行連接固定，保證鋼棚整體穩定性。由于頂板比較破碎必須嚴格執行短掘短支制度。單體柱和圓木梁配合臨時支護。臨時支護方式及鋼釬穿設方法如圖1所示。

圖1 小煤礦采空區有冒落矸石時掘進巷道支護示意

2.1.1 臨時支護方式

撞楔法用穿釬超前控頂，單體柱和圓木梁配合臨時支護。鋼釬選用圓鋼進行制作，平均長度為3 m。DW-31.5型單體柱2根；200 mm×4 000 mm圓木梁1根。

2.1.2 鋼釬穿設方法

1) 穿設鋼釬間距根據現場實際情況進行穿設，穿設鋼釬間距為200～800 mm(鋼釬安設間距選擇以有效控制舊巷煤矸不發生冒漏和壓垮鋼釬為宜，根據現場情況進行調整)。

2) 在鋼釬穿設過程中，為防止所穿設鋼釬或圓鋼鉆桿遇煤幫松動等情況時滑落傷人，每穿設完一根鋼釬或圓鋼鉆桿必須于尾部用鐵絲栓于前一架鋼梁上方金屬網上。

3) 鋼釬安設后，允許施工施工距離為1 500～1 800 mm，施工距離達1 500～1 800 mm后再次安設鋼釬進行超前控頂，依次交替施工；若架棚頂部煤質松散出現漏煤時，循環架棚距離不得超過1 500 mm。

4) 鋼釬安設時，采用鑿巖鉆機進行鉆孔。鉆孔位置為距離底板高度3 000 mm，緊貼鋼棚支護垂直向前進行鉆孔；鉆孔深3 000 mm；鉆孔呈上仰角度進行鉆孔，上仰角度控制在1～3°間；中部鉆孔按照巷道方位角進行鉆孔，兩側鉆孔分別向煤幫側傾斜10～15°進行鉆孔。

5) 在穿設鋼釬超前控頂的情況下，工作面迎頭利用單體柱與木梁在鋼釬下方支設進行臨時支護，臨時支護安設在待安設鋼棚100 mm位置為宜。

6) 在穿設鋼釬超前控頂的情況下，若鋼釬安設困難可采取頂錨桿進行臨時超前控頂，但不取代鋼釬支護作用，在滿足鋼釬安設要求情況下必須立即安設鋼釬超前控頂。

2.1.3 小煤礦采空區充填技術

根據徐州和盛礦業科技有限公司材料實驗室試驗結果，參考走訪調查省內多個煤礦井下工程實踐，綜合考慮井下施工條件、工作面超前支承應力的作用效果、漿液固結強度及材料消耗等因素，確定通過小煤礦破壞區時充填材料的水灰比為5∶1，具體充填方案如下：

1) 從回采巷道迎頭打鉆孔并采用低水灰比材料注漿，將工作面迎頭舊巷側煤壁封閉并加固破碎煤巖體。

2) 采用探水鉆打孔，鉆頭直徑50 mm，總的原則是每排布置2個鉆孔，下面一個鉆孔終孔位置位于冒落矸石區，若不塌孔可不下套管；上面一個鉆孔終孔位置位于空區，并用D50 mm的PVC管作為套管。鉆孔排距5～6 m。部分鉆孔的孔深及仰角如圖2所示(因舊巷冒落情況不明，故孔深及仰角需根據現場情況進行調整)。

圖2 小煤礦采空區注漿孔布置示意(m)

3) 為降低充填成本，充填時將舊巷分成三層，形成軟硬軟的“三明治”結構：底層為從底板以上至3 m，中層為3～3.8 m，頂層為3.8 m以上，底層和頂層材料的水灰比為5∶1，中層的材料水灰比為4∶1。

2.2 小煤礦采空區無煤矸石時的掘進穿越技術

巷道穿越無冒落煤矸石小煤礦采空區時，一般為保證架棚穩定性，需要架棚底部有所固定。一般小煤礦采空區留有底煤，如果其無底煤，應破底掘進。在工字鋼巷及外幫鋪設充填袋，進行架棚外注漿充填，形成穩定抗沖擊支護體。架棚外側采用充填袋充填加固，以緩沖采空區冒落矸石的沖擊維護架棚整體穩定性。具體掘進支護方式如圖3所示。

圖3 小煤礦采空區掘進支護示意

3 結 語

充填復采處理小煤礦采空區能夠提高資源回收率，解放大量呆滯煤炭，使煤炭資源回收率達到65%～70%，顯著提高礦井的經濟效益。實踐證明充填復采處理采區內小煤礦采空區是一種行至有效的方法。小煤礦破壞區遺留資源復采技術性研究取得的成功，為小煤礦破壞區資源復采回收提供安全高效的方法，對全國類似條件下的煤層開采具有十分重大指導意義，具有普遍推廣價值。