兴盛园煤矿综采安全保障技术研究

韩新明，王 飞

（1.太原理工大学 矿业工程学院，太原 030024；2.山西焦煤霍州煤电集团 兴盛园煤业有限责任公司，山西 霍州 031400）

1 兴盛园煤矿1-101综采工作面概况

1-101 综采工作面是矿井设计的首个回采工作面，采用综合机械化开采方式。1-101工作面设计走向长度780 m，倾向长度220 m。1号煤层为简单结构，煤层厚度为 0.35～2.35m，均厚1.54m，煤层倾角3°～10°。工作面地质储量34万t，可采储量32.3855万t。

根据收集17号小煤窑的资料显示，1-101工作面初采范围内下部2号煤层为小煤窑房式采空区，预计小煤窑采空区范围约12.6万m2，积水量约为8万m3。采空区边界离1-101工作面最小平距为140 m左右。但单从收集资料只能作为参考，不能显示真实的采空区范围。

根据1-101工作面掘进巷钻探资料显示，判断出1-101工作面前方距设计切巷位置110 m范围内2号煤已经被采掘。1号、2号煤层间距在11～13 m之间，1号、2号煤厚度均为1.6 m左右，钻孔出水在距底板垂深6～8 m之间，局部区域仅为3～4 m，部分钻孔同伴随着H2S等有害气体涌出。

2 问题的提出

基于以上地质及开采技术资料，认为1-101工作面在初采期间或将面临严重的安全问题，且其不确定性较为突出，分析如下：1）开采理论依据与参考案例少，极近距离房式采空区上综合机械化长壁开采理论及实践极为少见[1]，缺少成熟的参考案例。2）关键地质资料缺乏，2号煤层不规则房式采空区分布状态，残留煤柱稳定性状态[2]，采空区含水及瓦斯状态不明。3）不稳定底板或出现开裂、台阶下沉等异常矿压，根据理论分析和现场钻孔实测，2号煤层采空区上局部区域的完整层间层厚度小于8 m，并将再次承受上部煤层剧烈采掘扰动，或引起底板开裂、顶底板台阶下沉等异常矿压。4）采空区瓦斯潜在危害，下部采空区瓦斯或将沿层间裂隙通道涌向回采工作面，导致局部瓦斯超限或风流紊乱。5）水害防治形势不明朗，底板采空区大量积水，且充水情况不明；首采区煤层位于奥灰水下，两煤层均采空后，导水裂隙带充分发育，或形成导水通道。

综合以上分析，为确保1-101工作面初采期间安全顺利推进，极有必要弄清初采区域下部不规则房式采空区分布及其富水状态，进而深入、系统地研究极近距离煤层上行开采过程中围岩应力及结构的演化特征，重点分析1号煤层底板岩层移动变形规律，及其与综合机械化采煤方法的适应性，根据研究结论制定可能异常矿压显现的应对措施，改善回采工艺，最终探索出一种适用于类似条件下的不规则房式采空区上部煤层综合机械化开采的安全保障技术。

3 课题技术方案及技术路线

1）研究现状调研与资料收集。系统调研兴盛园煤矿地质、勘探、水文及采掘资料，充分利用研究区域内地面钻探、工作面钻探等各种探测数据及相关研究成果，为本项目的开展提供充分、可靠的基础数据。

2）理论分析。综合分析1号煤层和2号煤层现有的地质及开采技术资料，全面分析不规则房式采空区上部煤层回采过程中安全性影响因素，包括层间岩层结构，层间岩体物理力学性质，2号煤层采空区分布状态，1号煤层采煤方法，1号煤层矿压显现，浸水效应、时间效应等[3]。

3）实验室试验。现场采集1号煤层、1号煤层顶底板、2号煤层、2号煤层顶板的煤岩样，并运输至煤炭科学研究总院开采设计事业部实验室进行物理力学参数测试，主要包括抗压强度、抗拉强度、弹性模量、泊松比、凝聚力、内摩擦角、含水率、视密度等参数测试。

4）数值仿真模拟。对于影响1-101工作面安全回采最关键是2号煤层采空区上工作面底板岩层的稳定性，本项目中采用数值模拟方法针对不同情况进行研究。具体模拟方案为包括1号煤层未采动及采动时，不规则房式采空区覆岩变形、破坏特征研究。

5）采空区范围综合探测。为探测出2号煤层采空区大致分布范围，项目综合采用反射波法地震勘探、地震CT技术及现场底板钻探等手段进行研究。坚持物探先行，钻探验证，先治后采，监测监控，预警应急处理的总体方针。

4 治理方案设计

针对1-101工作面底板破坏区域，采取了排水降压和注浆加固相结合的安全保障措施。排水降压主要用于降低水位高度，降低底板水头压力；注浆措施主要对探测出底板破坏区域进行采空区覆岩加固，提高承载能力和隔水性能[4]。

该方案有两个创新点：1）首次采用地震初至波走时CT实现了对回采工作面底板岩层结构破碎区进行探测。2）基于现场实测，得出巷道软底区域与底板采空区域反射地震波响应特征差异：软底区域反射波同向轴变粗且到时滞后；采空区域反射波同向轴到时基本不变，但其波形及续至波畸变更为显著。

5 结束语

本项目形成的实用技术可为该地区的矿井整合与技术改造提供坚实的技术依据和保障，消除安全隐患，提高整合矿井建设速度，为安全生产提供有利的技术支撑与保障。

[1]余耀峰，张仲春，杨洪滨.近距离煤层群上行开采的研究与应用[C]//矿山建设工程新进展——2007全国矿山建设学术会议文集.西安：西安地图出版社，2007.

[2]张百胜.极近距离煤层开采围岩控制理论及技术研究[D].太原：太原理工大学，2008.

[3]冯国瑞.残采区上行开采基础理论及应用研究[D].太原：太原理工大学，2009.

[4]高维宇，李德元.近距离累煤层上行综合机械化开采实践[C]//第四届全国煤炭工业生产一线青年技术创新文集.北京：煤炭工业出版社，2009.