茅庄煤矿水淹区残余煤开采技术应用

2014-03-20张作礼

山东国土资源 2014年10期

张作礼

(山东亨达煤业有限公司，山东宁阳 271405)

近年来，随着当前社会矿产资源的日益消耗和环境保护要求的不断提高，很多大中型矿山的可采资源储量加速消耗，特别是许多老矿山面临资源枯竭的危机，对矿产资源的综合利用日趋重要。同时随着煤矿开采对于环境破坏的日益加重、煤炭开采安全事故频发，一些小型煤矿逐步关闭，由此带来的区域性煤炭资源结构性短缺的矛盾逐步显现。水淹区残余煤量的回收一直是困扰在煤矿行业中的一道难题。残余煤复采安全技术研究对资源枯竭的老矿井有着再生的作用并能够带来可观经济效益及社会效益。水淹区残余煤问题越来越受到广大地质工作者的关注[1-4]。山东省菏泽的茅庄煤矿便是较早开展水淹区残余煤开采技术研究应用的矿山之一。为充分挖掘仅有的煤炭资源，进一步延长矿井服务年限，茅庄煤矿自2007年起就对原三采区水淹区残余煤的回收进行了有益的研究和实践[注]①山东省煤田地质局第三勘探队，山东亨达煤业公司生产矿井地质报告，2008年。。

1 概况

茅庄煤矿处于宁阳煤田(东区)中部地段，总体形态为一走向近EW的单斜构造。主要含煤地层为早二叠世山西组和晚石炭世至早二叠世太原组，煤系和煤层沉积稳定，为华北型含煤建造，矿区内中小型断层发育[1-4]。山西组和太原组总厚度约为220m。共含煤21层，其中山西组含煤5层(第1,2,3上,3下,4煤)，太原组含煤16层，(第5，6，7，8，9，10，11，12，13，14，15上，15下，16，17，18上，18下煤)，煤层平均总厚14.28m。可采或局部可采者4层，即3上煤层、3下煤层，16煤层、17煤层，平均总厚度为9.52m。除3上煤层为厚煤层，3下煤层为中厚煤层外，其余均为薄煤层。该井田内3上煤层、3下煤层为主采煤层。截至2007年底，矿井剩余地质储量1636.1万t，可采储量298.9万t，矿井剩余服务年限13.8a。

复采三区为-200m水平的下山采区，井下标高为-200～-270m，地面标高为+66.24～+71.11m，该区采煤工艺为炮采，支护方式为金属摩擦支柱，该区3煤厚5.5～6.0m，夹石厚度0～1m，根据煤层厚度，设计分一、二分层开采，一分层采用跟顶、底部造假顶开采，二分层开采中应用跟底留顶煤工艺，由于突水，致使一部分二分层工作面没有开采，加之受当时回采工艺和技术力量所限，该区必然会遗留可供回收的煤量，区段煤柱、边角煤柱、局部留顶底煤都是复采的主要块段。

2 影响复采的主要因素

2.1 地质构造

三采区位于F13，F25与F41断层之间，受其控制，致使采区内断层发育密集。区内以断裂为主，地质构造复杂，落差大于10m的断层有9条，其中落差大于50m断层就有3条，落差为10～20m的断层有5条，均为查明断层，原采区内经实际揭露落差0～5m的断层较发育，由此可见该采区地质构造极其复杂，给开拓和回采带来极大的困难。

2.2 水文地质

该区水文地质简单，充水水源主要为采区底部断层导水，水源为三灰水。经估算采区积水面积为117128m2，积水量19.6万m3，积水区标高为-269.12～-200m，水头值约为70m，动水补给量约为14m3/h，是影响采区复采的主要因素。

3 复采方案

3.1 老空水的疏放

考虑到老空积水的水头压力较大，为确保该区的成功开采，决定采用追排水的方法，按照2个阶段排放老空水：第一阶段先由-200m标高排放至-250m标高；第二阶段再由-250m标高排放至-270m标高。

3.1.1 探水三线的确定

第一线为警界线，第二线为探水线，第三线为积水线，以便引起高度重视。随时观察迎头变化情况，发现出水征兆时，立即停止掘进，汇报调度室，采取有效措施，根据已掌握资料，确定从积水线外推100m为警界线，外推40m为探水线，巷道进入警界线要随时观察迎头情况，发现异常情况，提前探水。

3.1.2 积水量的计算

(1)老空区积水量可由下式估算

W=K·M·Lh/sinx

式中：W—老空积水量(m3);x—煤层真倾角(°)；M—煤层实际开采厚度(m)；L—老空区走向长度(m)；h—老空区积水水头高度(m)；K—老空充水系数(一般取0.3～0.5)。在这里，M=4.5m (回采两层)；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 =17.8万m3

(2)掘进巷道内积水量

巷道长度3750m，宽度2.0m，高度2.0m。积水量W2=3750×2.0×2.0=1.5万m3。考虑到巷道年久失修、冒顶等因素，巷道积水量按1.8万m3。总积水量W=W1+W2=17.8+1.8 =19.6万m3。

3.1.3 水压的计算方法与钻具选择

积水区标高-200.0～-269.12m，水头高差70.0m，其水头压力为7个大气压。根据液体在同一深处向各个方向传递压强相同的原理，为此透点的压强应为：

P=Qah=1000kg/m3×10牛/kg×70.0=700000牛/m2又因最小开孔钻具为Φ42mm(用Φ42mm钻头与老空积水区钻透)，其透点压力为：

F=P·S=700000×(42÷2÷1000)2=308.7牛

通过计算，透点的压力与透点的所需面积成正比，在施工中为加大安全系数，钻孔在透老空积水区时，应选择Φ42mm钻头，钻进为最佳。

3.1.4 钻孔布置

根据已查明资料，决定超前探水孔布置2组，即与巷道倾角一致，每一组钻孔布置2个钻孔，各孔之间夹角为30°，各钻孔间终孔距离根据情况加以控制，超前距为20m，帮距亦为20m。

3.2 巷道布置

利用放水巷道作进风巷，同时可以施工回风巷，但是必须保证放水巷道超前20m。

进风巷布置：在-270车场经“十一”点前10m开门，方位265°坡度+1°30′掘进220m，在此处放出老空积水；然后变方位为309°(改名称为轨道上山)坡度+12°掘进63m跟上3煤底板；变方位为356°，一直沿3煤底板掘进200m至终点。

回风巷布置：在进风巷265°方位20m处开门，方位为315°坡度+5°掘进30m；然后变方位为265°坡度+4°掘进240m撵3煤底板；变方位为356°(改名称为回风上山)一直沿3煤底板掘进170m至终点。在终点施工一联络巷与进风巷连接形成系统。最后施工采区煤仓和变电所，设计煤仓净高10m，直径4m，容积130t。

3.3 先期掘进与回采

巷道断面大小以满足通风、运输及支护材料存放为基本条件。先期掘进进风和回风巷，采用光面爆破，锚网喷支护，半圆拱断面，巷道规格为2.2m×2.2m。掘进轨道上山、回风上山和采面回采巷道时，采用架棚支护，梯形断面，巷道净断面3.9m2，净高2.0m，巷道采用矿用11号矿用工字钢支护。

工作面采用走向长壁后退式回采，悬移支架支护顶板，煤厚大于4.0m时，可以放顶煤开采，采高1.8～2.2m，落煤方式为放炮落煤，人工攉煤，可弯曲刮板输送机运输，全部垮落法管理顶板，底板松软时，支柱必须穿铁鞋。采用XDY-7型悬移支架，最大控制距3.01m，最小控顶距2.26m，架距1.2m，支护密度0.37架/m2，工作面端头支护采用4对8架一梁三柱和DW22-30/100单体液压支柱支护，一梁三柱为3.0m矿用11号“兀”型钢制成(图1)。