杨涧煤矿巷柱式穿采区域资源复采技术研究

李 宇

(中煤资源发展集团公司,北京市东城区,100011)

杨涧煤矿巷柱式穿采区域资源复采技术研究

李 宇

(中煤资源发展集团公司,北京市东城区,100011)

杨涧煤矿412盘区9＃煤层的不同煤分层不同程度被小煤窑的巷柱式采煤方法穿采,矿井整合后决定复采这部分煤炭。采用理论分析、工程类比和现场实践等方法,对资源复采区域的采煤方法、工作面布置方式、装备配套、复采工作面空巷的探测方法进行了研究,确定了复采区域首采工作面的层位和位置,制定了工作面掘进和回采时空巷的探测技术参数。

巷柱式开采 复采 恒底布置 上行开采 空巷探测 杨涧煤矿 整合煤矿

资源整合的大部分矿井中都存在以前被小煤窑采用柱式开采破坏的煤炭资源,据统计柱式采煤法工作面煤炭资源回收率不足30%,尤其是厚煤层中回收率更低。这些小煤窑巷柱式采空区现大多整合到大矿开采,随着矿井采煤装备水平的提高、矿井大规模生产和煤炭资源逐渐枯竭等原因,大多数整合矿井均面临要对柱式破坏区进行复采的问题,因此研究巷柱式穿采区域厚煤层安全高效复采技术具有普遍意义。

1 工程概况

杨涧煤矿位于山西省朔州市境内,属于资源整合矿井,主采煤层为4＃、9＃和11＃煤层,经过60多年的小窑巷柱式穿采,现阶段4＃煤层所剩储量全部为巷柱式穿采区域,4＃煤层厚度平均4.8 m,巷柱式穿采厚度在4 m左右,初步技术经济评价不具开采价值,难以布置正规综采工作面开采,另外11＃煤层由于煤质较差,现阶段也不具有开采价值,为了保证矿井的可持续发展,现阶段只有9＃煤层的412盘区资源可以进行复采。

412盘区位于杨涧煤矿的西南部,东部为503运输大巷,南部为405下山,西部为412集中运输平巷,北部为101运输大巷,412盘区内的9＃煤层分为9－1＃、9－2＃、9－3＃、9－4＃、9－5＃和9－6＃共6个分层,总厚度15 m左右,9＃煤层的直接顶为灰黑色泥岩,直接底为砂岩,各分层之间有夹矸以页岩为主。据已有资料显示9－1＃煤分层的大部分区域和9－5＃煤分层的部分区域已被巷柱式采煤法采空,如图1所示。

图1 412盘区9＃煤层部分分层采空情况

其中9－1＃煤分层被采高度在2 m左右,9－5＃煤分层被采高度在3 m左右。20世纪80年代9－5＃煤分层设计回采了5个巷柱式工作面,分别为1095301、1095302、1095303、1095304和 1095305工作面。

2 盘区巷柱式穿采方式

以前巷柱式穿采工作面布置可以简化为如图2所示(小煤窑穿采的工作面布置方式)。由巷柱式回采规程可知,9－1＃和9－5＃煤分层基本上都是采6 m煤柱,留设4 m煤柱,倾向两工作面之间相继错开3 m,从工作面开切眼处分别留设8 m和11 m的保护煤柱。工作面采高根据煤层厚度变化而不同,基本上都是开采煤层的厚度。

图2 巷柱式穿采工作面开采示意图

3 复采方案确定

3.1 不同开采方案比较

对于杨涧煤矿412盘区煤层赋存条件,如果采用沿9－6＃煤分层底板布置放顶煤一次采全高工作面,会存在如下问题:工作面穿采9－5＃煤层巷柱式采空区支架就不能和顶板接实,顶板和支架稳定性差,无法放煤;巷道如果揭穿空洞处会造成支护困难、漏风严重、坑木消耗量大,维护费用高;综放采动导水裂隙带高,可能与上部4＃煤层老空区导通,工作面存在突水、窜入有害气体等危险,需要对4＃、9－1＃煤层采空区积水、有害气体进行处理;放煤时9－5＃煤分层上部夹矸需采取弱化措施。因此本研究提出了分两层恒底上行开采,即工作面沿9－6＃煤层底板布置5 m大采高综采,回采9－5＃和9－6＃煤层,上分层垮落压实稳定后再采用放顶煤一次采全厚开采剩余煤层。

上分层能够进行恒底开采的条件是上分层煤岩体对下部采空区的充填不能杂乱无章,应整层层叠下沉后并将下覆采空区填满,如图3所示。根据类似条件厚煤层上行分层开采的经验及探测可知,下分层工作面开采2～3个月后上覆岩层运动基本达到平衡,6个月后再生顶板已基本形成。

图3 恒底上行开采示意图

3.2 复采工作面布置方式

根据杨涧煤矿412盘区9＃煤层相关地质资料及现场调研,再借鉴国内外类似条件下煤层复采的实践经验,确定复采工作面布置方式,如图4所示,图4中带圆圈实线表示保护煤柱线,虚线表示412盘区9－5＃煤分层中已有巷道,密集实线区域为9－5＃煤分层中巷柱式采空区,实线表示设计工作面回采巷道。

图4 工作面设计布置图

为了尽可能提高煤炭回收率、降低运输成本和充分利用原有生产系统,复采工作面沿9－6＃煤分层沿底板布置,共布置3个工作面,工作面推进方向为南北方向。1096101工作面长度为120 m,推进长389 m,1096102工作面长度120 m,推进长430 m,1096103工作面长度120 m,推进长465 m,3个工作面方位角都为43°。为保证101轨道大巷不受放顶煤回采工作面的影响,停采线位置设计在距101轨道大巷30 m处。回采接替顺序为1096101工作面、1096102工作面、1096103工作面。

由于9－5＃煤分层已有五分之二区域被采空,被采空区域主要集中在盘区西部,盘区东部近二分之一区域中9－5＃煤分层没有采空,为了保证工作面尤其是首采面的安全,将首采工作面布置在9－5＃煤分层的未被穿采区,其余工作面依次布置,此种布置方式主要优点:

(1)不在9－5＃煤分层巷柱式采动区域设计初采工作面,工作面安全系数高,支架接顶严实,巷道漏风少。

(2)避免了3个工作面都会揭露空洞的情况,当9－5＃煤分层空洞对工作面影响较大造成整个工作面不能开采时,可以部分回收没有揭露9－5＃煤分层区域的煤层。

3.3 工作面设备配套

为了尽可能提高复采工作面的经济效益,充分利用杨涧煤矿现有设备,结合上述首采分层开采参数确定工作面配套设备,如表1所示。

表1 1096101工作面开采主要配套设备

4 巷柱式采空区探测方法

根据上述布置方式可知复采工作面开采过程中会受到9－1＃煤分层和9－5＃煤分层中的采空区影响,因此工作面开采之前有必要对上述两个分层中的空巷(巷柱式采空区)进行探测。同时为了尽可能减小空巷探测与工作面准备之间的干扰,分别在巷道掘进期间和工作面回采期间采用超前探测的方法进行探测。

4.1 掘进期间的空巷探测

由于巷道掘进期间巷道延深方向的空巷对掘进影响较大,为了提高掘进速度,掘进期间只对巷道的正上方和正前方的区域进行探测。沿巷道的延深方向每隔30 m布置一个钻场探测点,每个探测点的探测范围为巷道正上方15 m、正下方4 m(煤层厚度15 m,首采工作面回采巷道沿9－5＃煤层顶板掘进)和巷道正前方50 m的范围,重叠探测区域为20 m。采用功率为11 k W的ZYJ400/130型架柱式钻机钻探测孔,探测孔半径为32.5 mm。根据巷柱式采空区的特点确定相邻两个探测孔末端距离都不大于3 m,如图5所示。

图5 掘巷超前探测钻孔设计

由于9＃煤层中的9－1＃煤分层大部分被采空, 9－5＃煤层部分被采空且和首采层位(9－5＃和9－6＃煤分层)处于同一层位,因此在实际探测过程中为了提高探测效率和节约探测成本,当顶板上方的探测钻孔遇见空巷即可停止钻探。

4.2 回采期间的空巷探测

为了提高掘进效率,巷道掘进时只对巷道延深方向空巷进行了探测,实际开采过程中开采区域实体煤中也会存在大量的空巷,为了确保工作面安全回采,有必要弄清楚实体煤中空巷的分布规律。

由于实体煤区域较大,严格按照控制钻孔末端的距离来探测空巷,一方面会造成打钻成本较高,另一方面打钻和回采之间相互影响较大。因此首先采用电磁法对实体煤区域进行地阻探测,划分出地阻异常区和正常区域,然后对地阻异常区域严格采用限制钻孔末端距离(不大于3 m)的方法来探测,对于地阻正常区域可以适当加大末端孔的距离,一般加大的幅度为6～10 m左右。

同样在实际探测过程中为了提高探测效率和节约探测成本,探测孔打到煤层的直接顶即可,如遇空巷即可停止,因此钻孔的上方只有9－1＃煤分层一个层位的采空区。一般来说,在物探低阻区区域沿煤层的倾斜方向的垂直层位打2～3个钻孔即可,上仰角度可为5°～12°或11°～30°;在物探高阻区域除了沿倾斜方向打探测孔外,还要与倾斜方向垂直剖面呈20°的范围内打2～3个钻孔,垂直层位钻孔角度3°～9°,倾斜层位钻孔角度6°～11°。

复采工作面巷柱式采空区根据以上探测措施针对空洞、水、瓦斯等各种有害气体进行探测,发现安全隐患应及时进行处理,处理完全后再进行下一步的工作,保证了复采工作面的安全高效回采。

5 结论

(1)根据412盘区9＃煤层的特殊穿采和赋存特征,分析了两种不同采煤方法的优缺点,确定了采用恒底上行开采方法可行。

(2)为了确保首采工作面安全性,首采工作面布置在9－5＃煤分层未被穿采区,避免了3个工作面都会揭露空洞的情况,当9－5＃煤分层空洞对工作面影响较大造成整个工作面不能开采时,可以部分回收没有揭露区域的煤层。

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Research on resource second mining technology for heading-and-stall extraction area in Yangjian Coal Mine

Li Yu
(China Coal Resources Development Group Co.,Ltd.,Dongcheng,Beijing 100011,China)

In Yangjian Coal Mine,different slicing of No.9 seam of 412 panel had been mined by heading-and-stall method of small coal mine in different degree,and the coals in No.9 seam would be mined secondly after mine integrated design.Using theoretical analysis,engineering analogy and field practice method,coal mining method,face layout form,matching equipment and detecting method of abandoned roadway in second mining face were studied,and slicing and location of the first mining face in second mining area and the detecting technical parameters of abandoned roadway when tunneling and stopping were determined.

heading-and-stall,second mining,face layout along same floor,ascending mining,abandoned roadway detecting,Yangjian Coal Mine,integrated coal mine

TD823

A

李宇(1985－),男,山西朔州人,硕士研究生,工程师,从事采煤方法与岩层控制方面的研究。

(责任编辑 张毅玲)

李宇.杨涧煤矿巷柱式穿采区域资源复采技术研究[J].中国煤炭,2017,43(1):60－63. Li Yu.Research on resource second mining technology for heading-and-stall extraction area in Yangjian Coal Mine[J].China Coal,2017,43(1):60－63.