复杂地质条件下灾害超前防控与资源高效回收一体化研究及应用

王志根

摘 要：中国是煤炭资源最丰富国家之一，山西是中国煤炭资源最丰富省份之一。经过近几十年的开采，已面临资源枯竭，经济转型迫在眉睫，但转型有过渡期，过渡期仍然以煤炭生产为经济支撑。从20世纪末开始，煤炭产能得到了大规模的释放，部分煤田被无计划地分割为多个井田开采，多数矿井面积不足4km2，而受设备及技术力量约束，这些被分割的井田多被建设成了小型煤矿，且部分煤矿施工工艺落后，资源回收率低、房柱式开采造成很多老空区，久而久之老空区又形成了积水积气现象，造成了矿井灾害。21世纪初，为了提高资源回收率，山西省推行了资源整合政策，将众多小型煤矿整合为大型煤矿进行开采，但前期小煤窑落后的开采工艺及装备技术已留下严重的后遗症，整合后的大型矿井没有完整的井田，为提高资源回收率，本文对复杂条件下灾害防控与资源高效回收进行了研究，以供参考。

关键词：资源;工艺;整合;灾害防控

中图分类号：TD263.3 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2020）12-0196-02

0概述

南阳坡矿井田面积3.9714km2，批准开采3、4、6、9#煤层，其中4-1#距3-2#层间距23.75m;4-2#距4-1#层间距2.73m;6#距4-2#层间距27.36m;9-1#距6#层间距2.75m;9-2#距9-1#层间距7.94m。

从煤层层间距来看，均属近距离煤层，开采时上下层将产生显著压力影响。

4111工作面受资源整合前小煤窑开采破坏，回采范围内存在纵横交错的17条老巷，老巷或位于工作面上方，或位于下方，几乎不同程度的都存在冒顶片帮现象，冒顶最高处可达5m之多，冒顶的浮渣充填巷道后最矮处只有1m左右，老巷内又存在积水、有害气体等灾害。

此外，4111工作面上覆4109采空区，与之层间距最小处不足4m;回采至里程450m时与附近回风立井间距只有50m，与总回风巷间距为23m，若不采取措施，回风立井与总回风巷的使用将受到严重影响。另南阳坡矿煤层顶板属大同煤田厚层状砂岩，抗压、抗拉强度大，不易冒落，当采空区顶板来压时，坚硬顶板大面积突然冒落会造成严重灾害。

众多因素导致工作面开采条件极为复杂，影响资源回收率，因而针对此种条件，研究及应用在复杂地质条件下的灾害超前防控与资源高效回收具有重要意义。

1 研究方法

1.1 新工艺助力初采顶板垮落

采煤工作面在初采阶段经常需要借助强制放顶来实现顶板安全垮落。过去通常采用火工品爆破致裂顶板，此种方法虽然能使坚硬顶板及时垮落，但却有着引燃引爆瓦斯煤尘的隐患，爆破同时伴随有害气体的产生，因此CO2预裂顶板应运而生。

二氧化碳致裂不产生冲击波、明火、热源和各种有毒有害气体，安全性能高，主要优点为：（1）热反应过程在密闭管体内腔中进行，低温爆破，喷出的二氧化碳具有抑制和阻燃作用，不会引爆瓦斯;（2）震动小，不产生具有破坏性的震荡，大大降低诱发瓦斯突出的可能性;（3）充装、运输、存放具有较高的安全性;（4）爆破能力可控，根据需要设定能量等级;（5）不产生有毒有害气体，躲炮距离近，可迅速返回工作面，连续作业。

1.2 超前研判、分析与治理，防控矿井灾害

4111工作面回采期间陆续穿越多条老巷，老巷内存在积水、有害气体、顶板等隐患，且老巷层位与工作面回采层位不一致，存在四条断层。为消除回采安全隐患，提前启封老巷，及时进行了探查与治理：

（1）为消除有害气体、水、冒顶及蹬空等隐患，初步确定了老巷条数及范围，制定了安全技术措施，安设局部通风机，排放稀释气体后对老巷探查，现场确定老巷加强支护方案并及时施行，最终工作面实现了灾害超前治理，为安全回采创造了有利条件。

（2）为防止回采期间有毒有害气体涌出，彻底消除老巷威胁，在工作面推至距老巷50m时，将密闭墙再次启封小口，对老巷内气体测定分析，采用局部通风机排放稀释气体。

（3）安排测量人员不间断对4111工作面所通过老巷进行实测，从工作面距老巷40m时每推进10m对工作面标高进行测量，并对断层分析，以少丢煤、少破岩石为原则，根据老巷实测数据结合断层预想画出剖面图，对回采层位进行局部调整，按照既定的层位回采。如图1、图2所示。

（4）由于4111工作面上覆4109采空区，层间距较小，且工作面停采线位置斜穿两条老巷，为消除施工回撤通道及回撤设备期间安全隐患，提前对老巷及4111回撤通道与4109采空区的层位关系进行了分析，确定了回撤通道位置及支护参数，确保工作面铺网上绳、刷扩及回撤期间的安全。

（5）矿井总回风巷受4111工作面回采影响，帮部局部开裂，易形成漏风通道，存在采空区遗煤自燃隐患。为防止灾害发生，制定了在矿井总回风巷破碎地段补打锚杆（索）、喷浆封堵措施，安排专人定期检查记录总回风巷永久密閉墙内外压差，形成曲线图并分析采空区塌陷漏风情况，有效预防了工作面老巷与矿井总回风巷形成漏风通道发生煤层自燃现象。

1.3 近距离煤层开采，合理设计巷道布置

南阳坡矿主要开采3#、4#、6#煤层，均为近距离煤层，且由于井田面积不足4km2，如何充分结合各煤层地质特性及相配套采矿工艺矿压分布特点，利用井下生产现状，最大限度地发挥现代化采煤工艺优势，在小范围内安全、连续、高效回采。

因此，南阳坡矿在4109工作面（3#层）与4111工作面（4#层）开展了一系列围绕区段煤柱留设、临近层采掘矿压活动规律研究、近距离煤层支护及有效性评判等多方面综合性研究来指导矿井生产。

1.3.1 近距离上下层同采合理错距研究

（1）理论建模分析方法。近水平煤层单个工作面开采后，采空区周围岩层运动处于非充分采动阶段，岩层破裂高度约为采空区宽度的一半[1]。采空区上覆岩层的运动是以岩层组为单位的，每一岩层组中的厚硬岩层作为关键层，控制着该岩层组的运动和变形。各岩层组在工作面前方产生离层，离层出现在上方岩层组的关键层和下方岩层组的软弱岩层之间，采空区一侧离层端的连线称为岩层移动线，该线与水平线的夹角α称为岩层移动角。采空区一侧煤体的侧向支承压力σ由自重应力σq和应力增量Δσ等两部分组成，即：σ=Δσ+σq。

通过理论建模计算，得到4#煤层侧向支承压力分布，可知采空区外侧煤体侧向支承压力峰值位置距采空区约26m，支承压力峰值约12.52MPa;距采空区0m～5m为低应力区，也是塑性区;距采空区5m～50m为支承压力影响区;距采空区50m以外为原岩应力区;距采空区5m～26m为弹塑性损伤区;距采空区26m～∞为弹性区。

（2）现场实测方法。1）在4111进风顺槽里程800m煤壁侧、煤柱侧前后100m附近布置第一组观测站，每10m设置一处观测点，共设置20处，每处观测点在顺槽左右帮各打设钻孔5个（孔深分别为4m、7m、12m、17m、22m），安装应力计用于观测实体煤内应力值受上覆4109工作面采动影响变化。2）在4111回风顺槽里程600m（与进风顺槽同一经度位置）煤壁侧、煤柱侧前后100m附近布置第二组观测站，每10m设置一处观测点，共设置20处，每处观测点在顺槽左右帮各打设钻孔5个（孔深分别为4m、7m、12m、17m、22m），安装应力计用于观测实体煤内应力值受上覆4109工作面采动影响变化。

1.3.2 近距离煤层巷道支护设计研究

（1）一般支护选取原则。1）及时主动支护，巷道开挖后应及时支护，控制巷道围岩离层、裂隙的进一步扩大，减小空顶、空帮时间和距离[2]。2）对锚杆（索）施加合理的预应力，保证锚杆支护系统有较高的承载能力，提高巷道围岩的整体稳定性。3）近距离煤层顶板围岩结构易因上覆煤层采动影响而遭到破坏，需加强对围岩结构变形的控制。4）巷道锚杆支护设计前必须进行井下拉拔试验，并根据试验结果对支护参数进行优化设计。5）在实现锚杆支护系统高强度、高可靠性的前提下，做到降低锚杆支护密度，提高掘进速度，降低支护成本。

（2）不同层间距下巷道支护原则。根据层间距及围岩状况，当层间距小于18m时采用锚网索+工字钢棚进行支护，当层间距大于18m时采用锚网索支护[3]。

（3）锚杆锚索受力监测。通过现场安装锚杆（索）测力计对所安装锚杆（索）进行检测，发现锚杆（索）初始预紧力施加较为合理，锚杆集中在20kN～40kN，个别锚杆达到45kN;锚索预紧力集中在70kN～85kN之间。在受力监测过程中，锚杆（索）受力变化值普遍较小、受力比较稳定，说明支护参数选取与上下层巷道错距布置合理。

2 结语

2.1 实现顶板安全垮落

南阳坡矿在4111工作面首次采用二氧化碳致裂坚硬顶板，能够使顶板在工作面推进4m时，70～120架顶板垮落;推进到22m时，工作面顶板全部垮落，且未产生各类次生有毒有害气体。既保证了安全回采，又使工作面提前进入放煤阶段，间接提高了资源回收率。

2.2 以最简便的方式保护了回风立井不受采动影响

通过采取工作面机尾局部支架不放煤的方式，最终顺利通过采动影响区，回风立井未受到任何采动影响，保证了矿井生产的正常与连续性。

2.3 通过超前研判与治理，积极主动地防控了灾害

对所有老巷积水、积气、顶板等隐患进行了排除，并且通过绘制工作面與老巷、断层剖面图，提前调整回采层位，顺利通过老巷、断层，安全回采至工作面结束。

2.4 掌握了南阳坡矿近距离煤层开采的技术资料

通过实践，掌握了下部煤层巷道合理错距应保持在20m～30m左右、工作面同采安全距离不小于200m、巷道支护设计参数等重要技术资料，做到安全有效、经济合理、施工过程便捷。

参考文献

[1] 钱鸣高，石平五，许家林.矿山压力与岩层控制[M].徐州：中国矿业大学出版社，2010.

[2] 张忠温，吴吉南，范明建，等.近距离煤层采空区下巷道支护技术研究与应用[J].煤炭工程，2015，47（2）：37-40.

[3] 吴吉南.受小煤矿开采影响区域开拓大巷布置研究[J].煤炭科学技术，2018，46（s2）：30-34.