衰老矿井采空区上覆残煤复采技术的探讨

◎孙刚

一、井田概况

晓南矿位于调兵山市东南方，距调兵山市中心15Km。地处辽宁省调兵山市的晓南镇及铁岭县的大青乡和蔡牛乡。其具体位置：北到薄家窝棚、姜家窝棚；南到矿工住宅区及蒋家洼子；西到左家岗子、汪荒地；东到宋荒地、前往户屯、后往户屯。

晓南矿北以FW3-13 号断层为界与小青矿相邻；南以煤层最低可采边界线为界，上煤组局部以人为技术边界与长铁煤矿相邻；西以 F3、F2、F35-1 号断层为界与大兴矿相邻；东至 14 煤层最低可采边界线。晓南井田南北走向长约5.35Km，东西宽约4.307Km，总面积约为23Km2。

晓南矿于1980年9月28日建成投产，煤炭资源逐渐枯竭，如何减少煤炭损失，把过去不能回采的煤炭采出，成为我们晓南人当下的难题。

晓南矿东一采区位于晓南井田东部，井下F1-6 断层以南，F20 断层组以北，F19 断层组、中央广场煤柱和南翼运输大巷以东，东部以上含煤段4-2煤层和7-2煤层最低可采边界线为界。东一采区于1983年开始回采，1995年7-2煤层回采结束，4-2煤层较薄，平均1.2m，由于受采煤设备限制，当时不具备经济开采条件，现准备对东一采区4-2煤层残煤进行回采。对原有不可采的煤炭资源进行复采，是提高煤炭回收率的重要途径，根据晓南矿现有井下开采条件进行优化设计，布置残复采工作面回收煤炭资源，可以有效缓解采掘接续紧张的问题。

二、残复采工作面概况

晓南矿东一400 残复采工作面位于东一采区东部，南以东一4 层中巷煤柱为界；北部为4-2煤层最低可采边界；西部为FE10 断层；东部邻近FE119 断层。工作面运顺长455m，回顺长474m，工作面切眼170m，开采长度380m，回采面积64600㎡。开采高度1.66m，可采储量15.9万t。（图1）

图1 东一400 残复采工作面平面图

东一400 残复采工作面所开采的煤层为一水平4-2煤层，平均厚度1.66m，其中夹泥质砂岩，厚度0.49m～1.43m（图2）。煤炭自燃发火期1～3个月。工作面总体为背斜构造，背斜轴部走向24°～41°，两翼倾角4°～7°，平均为6°。正断层FE119、FE10 控制了工作面的布置。

图2 东一400 残复采工作面综合柱状图

东一400 残复采工作面下覆的7-2煤层已开采（东一713和东一715），已开采的2个工作面平均采高3.02m，回采时间为1989年1月至 1990年3月，4-2煤层与 7-2煤层间距 41.31～44.39m，平均层间距42.85m，煤层倾角5°，7-2煤层顶板以粉砂岩、砂砾岩为主，东一400 工作面下部7 层老空区情况见表1。

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三、采空区上部煤层残复采可行性分析

结合上行开采的理论研究和生产实践，下部东一713 和东一715 开采后，采空区上部4-2 煤层是否被破坏，是探讨进行残复采是否可行的主要问题。进行分析的主要方法有比值判别法、围岩平衡法、“三带”判别法、经验对照法等。

1.比值判别法。

利用以下公式进行计算比值：

其中：H—上下煤层之间的垂距，41.31m；

M—下煤层平均采高，取3.0m。

计算得K=13.77＞6.5，上行开采的理论研究和生产实践证明，当比值＞6.5 时，先采下部东一713 和东一715 工作面不会对上部煤层造成很大影响。

2.围岩平衡法分析。

根据煤矿开采围岩移动变形、围岩平衡规律研究，保证上覆煤层安全开采利用下式进行计算：

式中M —下覆煤层平均采高，3.02m；

K1—岩石碎胀系数，7-2煤层顶板为粉砂岩、砂砾岩为主，K1=1.2；

h—平衡岩层本身厚度，根据顶板赋存情况，按综合柱状图估算取7m。

经计算，下部采空区和上部待采煤层间距必须大于22m，东一400 残复采工作面最小间距41.31m，布置残复采工作面回收煤炭资源结果可行。

3.“三带”判别法论证。

先采下部东一713 和东一715 工作面，工作面回采冒落后，往上将依次形成垮落带、导水裂隙带、弯曲变形带。

根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》中垮落带和导水裂隙带高度计算公式计算如下：

（1）垮落带高度的确定：

（2）导水裂隙带高度的确定：

式中：M——下覆煤层平均采高；

从公式（3）和（4）的结果来看，下部7-2煤层回采之后，垮落高度为9.1m，导水裂隙带的影响高度为41.3m，布置残复采工作面回收煤炭资源正位于导水裂隙带影响边界，会对4-2煤层完整性造成一定的影响，但不会对煤层的连续性产生破坏。

4.经验对照法.

通过科学管理，晓南矿对西三采区残煤复采综采工作面顺利回采结束。两个采区的地质情况相近，且两煤层间距约37.01m。对整个生产过程进行分析，经过6年时间下部采空区围岩基本稳定。

根据以上几点经过分析论证，而且下覆工作面回采至今已30年，围岩移动处于稳定阶段，可以进行采掘活动，采空区上覆东一400 残复采工作面进行综合机械化开采是可行的（图3）。

图3 开切眼预想剖面图

四、工作面巷道支护方式选择

1.巷道断面及支护形式。

东一400 工作面运顺、回顺和联络道断面均为宽5000mm，高2800mm 矩形巷道、开切眼断面宽为7000mm，高2800mm矩形巷道，所有巷道均采用锚网（索）+钢筋梯的联合支护方式。

2.巷道支护参数。

东一400 工作面顶板锚杆采用φ22mm，长度为2200mm的全螺纹等强锚杆，装药量CKZ23120 树脂药卷1 支，锚固力不小于100kN；帮锚杆均采用φ22mm，长度为2000mm 的全螺纹等强锚杆，装药量为Z2370 树脂药卷1 支，锚固力不小于50 kN；锚杆间距和排距均为900mm；锚索采用φ21.8，长度为5200mm 的钢绞线，排距为1800mm，运顺、回顺和联络道均采用“2-0-2-0”布置方式，间距为1800mm，装药量为Z2370 树脂药卷2 支，锚固力不小于180kN。开切眼断面锚索采用“3-0-3-0”布置方式，打两排中心顶子（或单体液压支柱）加强顶板支护。

图4 巷道支护断面图

五、巷道掘进施工探查情况

1.掘进施工探查。

受下覆东一713、东一715 工作面采动影响，4 煤层岩层完整性已遭到破坏，顶板出现裂隙、离层，但经30年时间的采后充实应该形成再生底板。

东一400 工作面巷道探查施工于2020年6月25日开始施工，施工中特别加强顶、底板管理。采用综掘，全断面一次成巷，支护材料采用锚杆、锚索、金属网、钢带联合支护（见图3）。在日常掘进过程中加强施工质量管理。巷道中间每隔10m 用Φ200mm 圆木打一信号顶子，以便随时观察顶板压力变化情况，及时采取补强措施。底板每隔10～15m 向下覆7-2采空区打探眼，以确定4-2煤层与7-2煤层采空区之间厚度及底板是否压实及瓦斯赋存情况，采取措施，充实采空区，防止瓦斯渗出，顶板压力明显地段或顶板破碎段及时采取架设金属棚的联合支护方式。通过采取多种加强支护形式，东一400 综采工作面安全掘进贯通。经观测，顶板离层值最大没超过30mm，两帮表面位移量不超过80mm，保持了围岩的稳定性，具备综合机械化采煤的条件。

2.煤层顶、底板完整程度及连续性判定。

通过东一400 工作面运、回顺的掘进施工实践可以看出，4煤层层理、煤岩层结构均没有发生大的错动现象，处于稳定下沉状态，而与下覆煤柱区过渡的相交点也只是煤层起伏发生变化，而煤层的连续性基本上没有遭到破坏。

六、生产实践

1.“一通三防”安全管理。

采空区上覆残煤复采主要优点就是可以有效地释放上覆煤层的瓦斯和泄出上覆煤体内的水。采面掘进、开采期间加强瓦斯管理，对下覆东一713、东一715 采空区进行打钻，一是探明下层的充实情况，如果钻孔没有返水现象，说明下层已充实，而下覆充实时瓦斯赋存也较少；二是对下层瓦斯进行抽放，有效减少下覆采空区瓦斯向上层涌出。同时对东一400 工作面上覆和本层煤层进行瓦斯抽放，控制工作面瓦斯浓度，避免瓦斯超限事故发生。

2.回采技术管理。

（1）采煤工艺。

本工作面采用走向长壁后退式一次采全高的综合机械化采煤方法，全部垮落法管理采空区顶板。双滚筒采煤机割煤→移液压支架→推移刮板运输机。在顶板破碎时，采取带压擦顶及时移架方式，如煤壁片帮超宽采取超前移架方式。采用MG300/701-WD 型采煤机落煤，滚筒截深800mm。

采煤机螺旋滚筒配合SGZ800/800 型刮板运输机铲煤板装煤。采用SGZ800/800 型刮板运输机、SZZ800/315 型转载机和胶带输送机配合运煤。采用ZZG6400/17/35 型和ZZ6400/17/35 型液压支架支护工作面顶板。ZZG6400/17/35 型液压支架最大控顶距5951mm，最小控顶距5151mm。ZZ6400/17/35 型液压支架最大控顶距5451mm，最小控顶距4651mm。

（2）顶板管理。

工作面自1月16日开始回采，推进9米后，直接顶初次跨落，推进35米时，基本顶初次来压，周期来压步距为12-15米。

顶板管理措施：工作面回采期间，两巷超前支护20m 范围内受采动的影响，应力比较集中；工作面位于东一713、东一715采空区上方，工作面及两巷超前支护有明显的矿压显现工作面初次来压和周期来压期间，地质部门做好来压的预测预报。工作面液压支架要达到初撑力，支护状态要良好，保证有效支护顶板。加强前后端头顶板控制，顶板破碎处及时补打单体液压支柱或背大柈棚支护。加快推进速度，减小控顶距，严禁空顶作业。在顶板破碎的地段，为了有效地防止顶板冒落，控制煤壁片帮，采取带压擦顶移架；在工作面局部片帮严重地段，采取超前移架，及时支护顶板，必要时要挑工字钢或圆木。

加强动态监测：工作面共计安设12 块无线矿压监测仪，分别 安 装 在 5#、15#、25#、35#、45#、55#、65#、75#、85#、95#、105#、115#液压支架上。从而实现监测液压支架工作阻力情况。每次移架后要搞好矿压观测，并由工程地测大队矿压组收集数据，进行整理。定期观测顶板下沉量，工作面上下两巷每50m 设置观测站，在观测站距工作面50m 内，每天由施工单位观测一次，如发现围岩变形较大，数据变化剧烈或异常，应及时汇报工程地测大队并采取相应措施，其它观测站每15天观测一次。观测围岩表面收敛量及围岩变化状况。所有观测结果均没有超过界限值，保证了正常开采。

七、效益分析

1.经济效益。

东一400 工作面残煤复采将过去无法开采的煤炭进行回采，可多回收煤炭约15.9万吨，根据矿井现状估算经济效益约28.14 元/t，因此多回收煤炭计算效益为：

式中：A——为工作面利润，万元；

Q——为工作面储量，t；

r——吨煤利润，元/t。

2.社会效益。

可以有效减少资源损失浪费，缓解矿井的采掘接续，而且创造了巨大的经济效益，同时积累相关技术资料，对东一采区其他残复采工作面的安全开采，具有一定的指导意义。

八、结语

实施采空区上覆残煤复采技术，可以有效减少资源损失浪费，缓解衰老矿井的采掘接续，而且可以延长其服务年限，并且创造了巨大的经济效益，同时积累相关技术资料，对本矿东一采区其他残复采工作面的安全开采和相同地质条件下的矿井具有一定的指导意义。