浅谈复杂地质条件下的残采技术

2018-11-19董文龙

陕西煤炭 2018年6期

关键词：南庄采区煤柱

董文龙

(山西省阳泉市南庄煤炭集团有限责任公司南庄分公司，山西阳泉 045000)

0 引言

残采采煤一直是所有煤矿遇到的普遍问题，特别是剩余区域地质构造复杂，煤层倾角变化大，区域内构造发育，工作面布置和顶板管理难度更大。研究复杂地质条件下的残采工作面布置和采煤工艺对于提高煤矿回采率具有普遍意义。

1 企业概况

南庄公司前身为阳泉市南庄煤矿，是南煤集团下设的一个分公司，是集生产、安全、经营、核算为一体的现代化生产矿井，实行以成本为中心的全额预算管理体制，是南庄煤炭集团的核心企业。煤矿经过多次技术改造，2002年矿井的生产能力已经达到0.9 Mt/a；2004年5月经山西省国土资源局批准，将大阳泉井田南部2.05 km2划归南庄井田，对南庄煤矿进行技术改造并扩大其生产规模，生产能力由0.9 Mt/a提高到2.0 Mt/a。

2 15#煤九采区残采项目背景条件

2.1 煤系地层含煤特征

九采区主要含煤地层为上石炭统太原组，为海陆交互相含煤地层。岩性以深灰～黑色泥岩、砂质泥岩间夹灰白～深灰色砂岩和深灰色石灰岩为主，含煤6～8层，分别为8#、9#、10#、11#、12#、13#、14#、15#煤，其中12#煤较稳定，大部可采，15#煤稳定全区可采，其余为零星可采和不可采煤层，本组厚116.8～139.0 m，平均厚121.25 m。本组与太原西山标准剖面对比，可分为3个岩层组合段。①下段—是底界砂岩(K1)至15#煤层(丈八煤)之底，厚度14.34 m左右，底部K1砂岩整合于本溪组之上，为灰白色细～中粒砂岩，厚度6.19 m左右；②中段—15#煤层至猴石灰岩(K4)，厚度为61.6 m左右。由3层海相石灰岩石，碎屑岩及煤层组成。自下而上灰岩为四节石灰岩(K2)，厚3.40～6.13 m，平均厚4.89 m；钱石灰岩(K3)，厚1.40～5.36 m，平均2.95 m；猴石灰岩(K4)，厚0.36～2.36 m，平均1.53 m。煤层自下而上为15#煤(丈八煤)、14#煤(四节石下煤)、13#煤(钱石下煤)、12#煤(四尺煤)、11#煤(猴石下煤)煤层。其中15#、12#煤层为全区可采煤层；③上段—由K4石灰岩顶面至8#煤层老顶第三砂岩(K7)，平均厚度45.31 m。岩性由灰白～深色砂岩、黑色泥岩、深灰色砂质泥岩及煤层组成。煤层由下向上为10#、9#、8#煤，均为不可采或零星可采煤层。9#和8#煤层下，分别发育有一层细～中砂岩，即K5、K6标志层。

本组旋回结构明显，灰岩标志层发育稳定，地层、煤层极易对比，中段各煤层厚度的极值差很小。煤层厚度较大的15#、12#煤，其顶板一般皆是黑色泥岩。说明当时离海较远，而厚度较薄的13#、14#煤，其直接顶板均为石灰岩，说明当时离海很近，当时地壳稍有下降，即为海水所淹没，煤层受到洗刷。

本组上段各煤层厚度极值相差很大，煤层结构复杂，且规律性较差。煤层结构：位于太原组下部，上距12#煤44.26 m左右、距K2石灰岩12.14 m左右，下距K1砂岩8.15 m左右。为本井田主要可采煤层，煤层厚度5.24～6.63 m，平均5.89 m。层位稳定，全区可采结构复杂，含1～2层夹石，夹石厚0.02～0.47 m。煤层顶板为泥岩，底板为砂质泥岩、泥岩。

煤层直接顶为泥岩，厚度在6.76 m左右，老顶为细砂岩，厚度在4.47 m左右，底板为砂泥岩，厚度在8.76 m左右。煤层特征见表1。

表1 煤层特征表

2.2 煤层剩余区域地质概况

15#煤层剩余区域地质构造复杂，煤层倾角局部增大，区域内构造发育，给顶板管理和工作面布置造成一定的难度，形成了不规则区域，尤其是九采区有一横穿南北的67.7～32.9 m逆断层，断距由南向北逐渐减小，延伸长度约1 200 m，严重影响了九采区的开采布置，整个采区内煤层赋存呈一宽缓的向斜构造，向斜轴位于X=93.2线附近，南北方向呈现出北高南低，且在8907工作面以北煤层底板等高线密集，煤层倾角大，某些地段有由西向东急倾斜的情况出现。采区东部受后沟小窑入侵，可能受到附近小窑采空区积水的威胁。

2.3 资源储量问题统计

截止2005年底，矿井保有地质储量5 595万t，可采储量3 460万t，按200万t组织生产，矿井服务年限为17.3年。鉴于上述因素，研究15#煤层复杂地质条件残采区回收技术非常必要。

3 15#煤九采区残采项目设计应用

3.1 残采项目设计

设计目的：根据区域地质构造，运用物探、钻探、巷探等技术手段，优化开采设计，对照已揭露巷道情况改进设计；采用先进的回采工艺，最大限度地提高资源回收率。

设计的主要内容：九采区护巷煤柱的回收设计，九采区中部、北部区域的整体设计，回采工艺设计，施工工艺设计。

3.2 项目设计应用

采区护巷煤柱回收优化：15#煤九采区大巷护巷煤柱回收工作面，在采区大巷布置时，由于当时资料不详、技术装备落后，留设了60 m保安煤柱。在采区大巷回收设计时，大胆运用巷探手段，掘进巷道长度70 m，未揭露断层，同时也未发现有瓦斯涌出和涌水情况，沿断层走向重新配了一条回风巷，与采区回风巷的间距为60 m，形成壁式工作面。新配回风巷在掘进施工过程中未揭露断层。采用综合机械化采煤方法进行回采。

两工作面伪斜布置：九采区北部区域煤层倾角大，煤层底板等高线密集，呈北高南低，在对北部区域进行设计时，在查找资料的基础上，一方面充分考虑运输设备、综采装备的适应条件，另一方面考虑资源的充分回收。如按常规方式布置工作面，两顺槽的坡度达到22°。不能满足设备运输和施工要求。采用伪斜布置方式对北部区域进行工作面布置，将顺槽巷的坡度降到满足机电运输设备的需要。8909和8911工作面进行伪斜布置。8911工作面3条顺槽按北偏东29°布置，两顺槽的坡度降到15°，但局部坡度也达到18°，工作面坡度达15°；8909工作面3条顺槽按北偏东60°布置，两顺槽的坡度平均为14°，局部地段达18°，工作面平均坡度达14°，最大限度地回收资源。如图1所示。

图1 8909和8911工作面伪斜布置图

8909工作面设计改进：在8909工作面最初设计时，考虑到周边小窑入侵的不确定程度，同时结合物探手段圈定的老空水威胁区域，从安全生产的角度考虑并进行设计，如图1所示。但在8909工作面旧正巷施工过程中，采用钻探手段，布置了17个钻场，共打探孔50个，工作量2 186 m，未发现异常。根据旧正巷掘进过程中的钻探资料，经过认真的分析研究，重新对8909工作面设计进行改进，如图2所示，合理留设了超前距和帮距，将工作面长度向东南方向延长40 m，在距正巷外侧40 m处配掘一条新正巷。同时运用物探与钻探相结合的手段，在新正巷掘进过程中有针对性地设置了4个钻场进行探疑。4个钻场共打探孔15个，工作量620 m，通过实际运行完全能够满足生产安全要求。这样该工作面切眼长度增大至170 m。

8911工作面处理：如图3所示，8911工作面正巷在施工过程中，由于地形所限和受地质构造影响，揭露煤层的距离延长，造成边角资源大且不易回收。经过反复论证，利用已有巷道对工作面设计改进，在8911工作面正巷靠工作面侧20 m处新配一条正巷，沿煤层底板掘进与8907腰巷贯通，掘进巷道的长度为130 m。这样该段工作面长度由165 m缩短为145 m，工作面可多推进100余米。

优化8907和8913工作面设计：在对九采区中部残留煤柱工作面布置进行设计时，充分考虑资源的最大限度回收，减少护巷煤柱的留设，在设计中8913工作面尾巷复用做8907正巷，副尾巷间煤柱仅留设20 m，在8913工作面回采完毕后，使用马丽散对保安煤柱及闭墙周围进行加固，保证8907工作面复用。如图4所示。

合理选择采煤方法：8907、8913工作面属于地质构造复杂工作面，工作面走向、倾向都很短，且工作面煤层走向倾角大。8913工作面切眼长度仅75 m，8907工作面切眼长度120 m，且两顺槽及切眼的部分区段是沿煤层顶板掘进的，按生产条件应布置为炮采工作面，但经过采用新技术手段，利用现有工作面条件，对8907工作面的两顺槽进行起底并采用打预留锚索、带工字钢托梁、相邻两根托梁上面打木垛接顶来降低顺槽支护高度，回采时，正常打超前支护。这样就由回采单一煤层变为回采双层煤层了，优化采煤方法，进行综合机械化采煤，提高了资源回收率。

图2 8909工作面巷道布置图

图3 8911工作面巷道布置图

图4 8907、8913工作面巷道布置图

4 残采的技术效果及效益

4.1 实践技术效果

通过钻探、物探、巷探等手段查清了周边小窑入侵、采空区积水和地质构造等因素，为开采方案的设计优化提供了依据。

对复杂地形顶板采用预留锚索悬吊勾棚支护，利用马丽散加固煤柱、封闭采空区等技术手段，改善了开采条件。

优化了不规则区域和大倾角煤层的工作面设计。

4.2 经济效益

8908工作面多采60 m×540 m，采出煤量23万t；8911工作面多回采了100 m。采出煤量10.5万t；8909工作面切眼延长了40 m。多采出煤量15.6万t，8907和8913工作面采用综采，多采出煤量15万t，总计多采出煤量64.1万t，按吨煤利润300元计算，创造经济效益19 230万元。