薛虎沟煤业小煤窑破坏区复采支护设计及工程实践

王文俊

(霍州煤电集团有限责任公司，山西 霍州 031400)

霍州煤电集团河津薛虎沟煤业属于河东煤田乡宁矿区，为资源整合矿井,由原山西河津薛虎沟煤业、原麻子沟煤矿整合而成。20世纪80年代中后期薛虎沟矿区遭受小煤窑掠夺式破坏性开采，由于小煤窑开采形成的老空、老巷纵横交错，遍布整个煤层，井田内分布有大片煤层破坏遗留的残煤，给矿井的安全生产构成了严重的威胁。该煤业主采2#煤层为炼焦配煤，属于首批稀缺煤种，现采2#煤层一分层大部分采空，二分层局部采空，资源回收率仅为30%.

因此，开展对薛虎沟煤业小煤窑破坏区的资源复采研究，对提高该煤业的经济效益，促进其可持续发展具有重要意义。

1 概 况

薛虎沟煤业位于吕梁山脉南缘，临汾盆地的西南山地，汾河、黄河交汇的三角地带，井田总体地势东南部高，西北部低，地形最大相对高差+306.9 m.井田可采煤层共2层，分别为2#、10#煤层，分布稳定，煤层倾角较缓，一般2°～7°，2#煤层特征表见表1.

表1 2#煤层特征表

据调查，薛虎沟煤业重组井田内除上述原薛虎沟煤业有限公司和麻子沟煤矿外，在井田南部还分布有已关闭的陈家岭村办煤矿和3对私人开办井口[1-2]，均对重组井田南部地段2#、10#煤层进行了开采，分布有大片开采破坏区。2-105工作面位于井田北部，地表位于陈家岭村东北部，地面标高+732～+830 m，煤层底板标高+645～+656 m，盖山厚度80～170 m.复采2#煤层平均厚度4.9 m，该煤层上分层已部分采空，下分层少量采空，采高3.2 m，正、副顺槽长度790 m，切巷长200 m.工作面东南为麻子沟煤矿采掘区域，西南为2#煤南翼主运输巷，西北为2-101回采工作面，东北距井田边界30 m，复采过程空巷、采空区位置情况见图1.

图1 二分层复采过程过空巷、采空区位置情况图

2 破坏区煤层复采类型划分及应力规律分析

2.1 煤层复采类型划分

复采推进过程示意图见图2，在2#煤层二分层复采过程，遇空巷、采空区时，煤层的直接顶一分层煤层受小煤窑开采破坏已经破碎垮落，基本顶也受到了一分层开采影响，由于基本顶岩性较硬，悬露变形断裂垮落基本顶仍然会相互挤压，并形成新的应力分布[3-5].依据乡宁矿区具体地质条件、中厚煤层开采现状,复采工作面与巷道布置情况划分4种类型：平行煤巷型、垂直煤巷型、混合型、完全采空区型，见图3.结合薛虎沟煤业2#煤层一分层开采后，二分层煤层巷道布置特征和过采空区、空巷特点，确定二分层复采主要为(过采空区、空巷)与煤柱垂直相间布置类型。

图2 复采推进过程示意图

图3 小煤窑破坏区煤层复采类型分类图

2.2 二分层复采过程影响分析

根据煤层采动引起回采空间周围岩层应力分布经验公式[6-7]:

式中，σx为水平应力,σy为垂直应力,τxy为切应力，P为作用于下分层煤体上的载荷。根据该煤业2#煤地质条件，取上覆岩层重量8.75 MPa，煤柱中最大应力集中系数取4，煤柱宽度为20 m，得到底板不同水平截面应力分布曲线，见图4.

图4 煤柱均布载荷下底板应力分布曲线图

由图4可知，在底板不同深度水平截面上以煤柱中心点下部轴线处的垂直应力为最大，距离采空区垂直距离越浅，应力集中范围越小，但集中程度越大。反之，距采空区垂直距离越深，应力集中范围越大，集中程度越小。水平应力距采空区垂直距离越深，应力集中范围越大，随远离煤柱衰减速度缓和，峰值随深度增加而衰减，同一水平截面的水平应力峰值位置当距煤柱较近时位于煤柱均布载荷中心点下部轴线处，当距煤柱较远时靠近煤柱边缘出现两个峰值，且峰值随深度增加而趋于缓和。切应力最大值位于煤柱的两侧边缘，以煤柱中心点下部轴线处的切应力最小为0.在底板不同深度各水平截面上切应力随深度增加变化趋于缓和。

3 分层复采巷道围岩控制关键技术及支护设计

3.1 过空巷和采空区关键技术

掘进工艺：巷道沿底板掘进，因一分层为1.0 m左右复采松软煤层或冒落松散矸石，开口采用人工掘进，掘进20 m后改用综掘机施工。为防止综掘机截割时造成顶板及迎头煤壁垮落，使已破碎顶板整体塌陷，采用先割顶及两帮，留出棚梁及棚腿位置，迎头采用“留肚子”的掘进方法，有利于空顶处顶板及煤壁的控制。

注浆充填加固施工：安全检查→临时支护→施工钻孔→注浆→掘进。在掘进中揭露老空巷或采空区，导致巷道顶板冒落，冒落体积较大时，采用矿用新型FSS化学加固材料对顶部空巷及破碎顶板进行注浆充填加固。

3.2 分层复采巷道围岩控制支护设计

掘进支护：采用架棚支护，见图5.

图5 巷道断面及支护图

三心拱29U钢棚，每架U型棚使用2根拉杆连接[5，6]，棚梁与棚腿搭接处各一根，棚梁与棚腿搭接500 mm，卡缆间距350 mm，卡缆螺栓扭矩不得小于180 N·m，棚距800 mm，柱窝深度200 mm，顶帮用方木背实。

切巷支护：采用锚网索+桁架、槽钢联合支护，见图6.

图6 切巷支护断面图

工作面切眼为矩形断面，开口前3 m采用锚网索+桁架、槽钢联合支护，顶锚及老山侧帮锚采用d20 mm×2 000 mm的左旋螺纹钢锚杆，间排距900 mm×800 mm；工作面帮锚采用d16 mm×1 600 mm金属锚杆，间排距为900 mm×1 600 mm；锚索采用d17.8 mm×9 200 mm的钢绞线，间排距为1 500 mm×800 mm.

回撤通道：末采支护采用铺双层菱形网(12#×1 000 mm)，钢丝绳d28 mm，锚索间排距600 mm×1 500 mm，视工作面顶板完好程度，确定末采长度、钢丝绳数量及锚索排数。局部冒落区域采用“一梁一柱+马丽散膨胀剂+锚索”支护，超高段采用支设贴帮柱、横设木板梁与支架顶梁链接或在支架顶梁上采用槽钢+方木的方式保证支架接顶，为回撤支架创造条件[7].

三角区及掩护架区域在支架抽出、调向期间，采用π梁+支柱进行临时支护，对抽架期间顶破的菱形网进行封口。拉掩护架前期，采用木板梁+支柱对空顶区域临时支护，掩护架到位后回撤掩护架两帮支柱。

4 工程实践

4.1 支护形式及巷道断面参数

支护形式：三心拱29U钢棚，棚距800 mm，每架U型棚使用2根拉杆连接，棚梁与棚腿搭接处各一根，棚梁与棚腿搭接500 mm，柱窝深度200 mm，巷道断面参数见表2.

表2 巷道断面参数表

循环进度为0.8 m，最大空顶距1.0 m，最小空顶距0.2 m.29U钢棚采用短掘短支方式，掘进一架，支护一架。若前方大块有垮落迹象，支护时应适当缩小棚距，并对支护进行加固，防止大块摧棚。循环进度调整为0.6 m，最大空顶距0.8 m，最小空顶距0.2 m；每架设一架U型棚在直拱上部弯曲段加设一副单卡缆对支护进行加固。

4.2 现场支护效果

两巷顺槽掘进施工30 m，开始设置测站，之后每隔30 m设置一个测站，现场共布置两个测站，同时在岩性和U型棚支护参数发生变化的位置均增设测面监测[7]，监测结果见图7.在距工作面0～20 m表面位移表现最为剧烈，顶底板最大移近量20～25 cm，两帮最大位移量10～15 cm，20～40 m为围岩变形剧烈区，围岩变形显著；60 m以后，表面位移量逐渐变小，直至趋于稳定，为围岩变形稳定区。

图7 巷道监测断面变形量曲线图

2-1051巷掘进50 m处遇空巷，顶部为空巷，顶板破碎现场空巷影响区域较大，过采空区期间采用巷道U棚进行了支护；2-1052巷掘进200 m处遇采空区，顶板破碎冒落区域较大，采用注浆充填加固。据统计掘进期间2-1051巷揭露小窑空巷和采空区13处，2-1052巷揭露9处。

5 结 语

在薛虎沟煤业井田内小煤窑2#煤层破坏区一分层破坏和二分层赋存情况调查基础上结合煤层复采4种类型，针对薛虎沟煤矿2#煤层复采主要为二分层过采空区、空巷与煤柱垂直相间布置类型，研究分析了过空巷和采空区期间围岩控制关键技术及支护设计方案。对2-105工作面进行了复采工业性试验，实践证明两巷使用U型棚支护和注浆充填加固采空区试验效果良好，复采过程围岩控制稳定。