淺談復(fù)雜地質(zhì)條件下的殘采技術(shù)

董文龍

(山西省陽泉市南莊煤炭集團有限責(zé)任公司南莊分公司，山西 陽泉 045000)

0 引言

殘采采煤一直是所有煤礦遇到的普遍問題，特別是剩余區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，煤層傾角變化大，區(qū)域內(nèi)構(gòu)造發(fā)育，工作面布置和頂板管理難度更大。研究復(fù)雜地質(zhì)條件下的殘采工作面布置和采煤工藝對于提高煤礦回采率具有普遍意義。

1 企業(yè)概況

南莊公司前身為陽泉市南莊煤礦，是南煤集團下設(shè)的一個分公司，是集生產(chǎn)、安全、經(jīng)營、核算為一體的現(xiàn)代化生產(chǎn)礦井，實行以成本為中心的全額預(yù)算管理體制，是南莊煤炭集團的核心企業(yè)。煤礦經(jīng)過多次技術(shù)改造，2002年礦井的生產(chǎn)能力已經(jīng)達到0.9 Mt/a；2004年5月經(jīng)山西省國土資源局批準(zhǔn)，將大陽泉井田南部2.05 km2劃歸南莊井田，對南莊煤礦進行技術(shù)改造并擴大其生產(chǎn)規(guī)模，生產(chǎn)能力由0.9 Mt/a提高到2.0 Mt/a。

2 15#煤九采區(qū)殘采項目背景條件

2.1 煤系地層含煤特征

九采區(qū)主要含煤地層為上石炭統(tǒng)太原組，為海陸交互相含煤地層。巖性以深灰～黑色泥巖、砂質(zhì)泥巖間夾灰白～深灰色砂巖和深灰色石灰?guī)r為主，含煤6～8層，分別為8#、9#、10#、11#、12#、13#、14#、15#煤，其中12#煤較穩(wěn)定，大部可采，15#煤穩(wěn)定全區(qū)可采，其余為零星可采和不可采煤層，本組厚116.8～139.0 m，平均厚121.25 m。本組與太原西山標(biāo)準(zhǔn)剖面對比，可分為3個巖層組合段。①下段—是底界砂巖(K1)至15#煤層(丈八煤)之底，厚度14.34 m左右，底部K1砂巖整合于本溪組之上，為灰白色細～中粒砂巖，厚度6.19 m左右；②中段—15#煤層至猴石灰?guī)r(K4)，厚度為61.6 m左右。由3層海相石灰?guī)r石，碎屑巖及煤層組成。自下而上灰?guī)r為四節(jié)石灰?guī)r(K2)，厚3.40～6.13 m，平均厚4.89 m；錢石灰?guī)r(K3)，厚1.40～5.36 m，平均2.95 m；猴石灰?guī)r(K4)，厚0.36～2.36 m，平均1.53 m。煤層自下而上為15#煤(丈八煤)、14#煤(四節(jié)石下煤)、13#煤(錢石下煤)、12#煤(四尺煤)、11#煤(猴石下煤)煤層。其中15#、12#煤層為全區(qū)可采煤層；③上段—由K4石灰?guī)r頂面至8#煤層老頂?shù)谌皫r(K7)，平均厚度45.31 m。巖性由灰白～深色砂巖、黑色泥巖、深灰色砂質(zhì)泥巖及煤層組成。煤層由下向上為10#、9#、8#煤，均為不可采或零星可采煤層。9#和8#煤層下，分別發(fā)育有一層細～中砂巖，即K5、K6標(biāo)志層。

本組旋回結(jié)構(gòu)明顯，灰?guī)r標(biāo)志層發(fā)育穩(wěn)定，地層、煤層極易對比，中段各煤層厚度的極值差很小。煤層厚度較大的15#、12#煤，其頂板一般皆是黑色泥巖。說明當(dāng)時離海較遠，而厚度較薄的13#、14#煤，其直接頂板均為石灰?guī)r，說明當(dāng)時離海很近，當(dāng)時地殼稍有下降，即為海水所淹沒，煤層受到洗刷。

本組上段各煤層厚度極值相差很大，煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且規(guī)律性較差。煤層結(jié)構(gòu)：位于太原組下部，上距12#煤44.26 m左右、距K2石灰?guī)r12.14 m左右，下距K1砂巖8.15 m左右。為本井田主要可采煤層，煤層厚度5.24～6.63 m，平均5.89 m。層位穩(wěn)定，全區(qū)可采結(jié)構(gòu)復(fù)雜，含1～2層夾石，夾石厚0.02～0.47 m。煤層頂板為泥巖，底板為砂質(zhì)泥巖、泥巖。

煤層直接頂為泥巖，厚度在6.76 m左右，老頂為細砂巖，厚度在4.47 m左右，底板為砂泥巖，厚度在8.76 m左右。煤層特征見表1。

表1 煤層特征表

2.2 煤層剩余區(qū)域地質(zhì)概況

15#煤層剩余區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，煤層傾角局部增大，區(qū)域內(nèi)構(gòu)造發(fā)育，給頂板管理和工作面布置造成一定的難度，形成了不規(guī)則區(qū)域，尤其是九采區(qū)有一橫穿南北的67.7～32.9 m逆斷層，斷距由南向北逐漸減小，延伸長度約1 200 m，嚴(yán)重影響了九采區(qū)的開采布置，整個采區(qū)內(nèi)煤層賦存呈一寬緩的向斜構(gòu)造，向斜軸位于X=93.2線附近，南北方向呈現(xiàn)出北高南低，且在8907工作面以北煤層底板等高線密集，煤層傾角大，某些地段有由西向東急傾斜的情況出現(xiàn)。采區(qū)東部受后溝小窯入侵，可能受到附近小窯采空區(qū)積水的威脅。

2.3 資源儲量問題統(tǒng)計

截止2005年底，礦井保有地質(zhì)儲量5 595萬t，可采儲量3 460萬t，按200萬t組織生產(chǎn)，礦井服務(wù)年限為17.3年。鑒于上述因素，研究15#煤層復(fù)雜地質(zhì)條件殘采區(qū)回收技術(shù)非常必要。

3 15#煤九采區(qū)殘采項目設(shè)計應(yīng)用

3.1 殘采項目設(shè)計

設(shè)計目的：根據(jù)區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造，運用物探、鉆探、巷探等技術(shù)手段，優(yōu)化開采設(shè)計，對照已揭露巷道情況改進設(shè)計；采用先進的回采工藝，最大限度地提高資源回收率。

設(shè)計的主要內(nèi)容：九采區(qū)護巷煤柱的回收設(shè)計，九采區(qū)中部、北部區(qū)域的整體設(shè)計，回采工藝設(shè)計，施工工藝設(shè)計。

3.2 項目設(shè)計應(yīng)用

采區(qū)護巷煤柱回收優(yōu)化：15#煤九采區(qū)大巷護巷煤柱回收工作面，在采區(qū)大巷布置時，由于當(dāng)時資料不詳、技術(shù)裝備落后，留設(shè)了60 m保安煤柱。在采區(qū)大巷回收設(shè)計時，大膽運用巷探手段，掘進巷道長度70 m，未揭露斷層，同時也未發(fā)現(xiàn)有瓦斯涌出和涌水情況，沿斷層走向重新配了一條回風(fēng)巷，與采區(qū)回風(fēng)巷的間距為60 m，形成壁式工作面。新配回風(fēng)巷在掘進施工過程中未揭露斷層。采用綜合機械化采煤方法進行回采。

兩工作面?zhèn)涡辈贾茫壕挪蓞^(qū)北部區(qū)域煤層傾角大，煤層底板等高線密集，呈北高南低，在對北部區(qū)域進行設(shè)計時，在查找資料的基礎(chǔ)上，一方面充分考慮運輸設(shè)備、綜采裝備的適應(yīng)條件，另一方面考慮資源的充分回收。如按常規(guī)方式布置工作面，兩順槽的坡度達到22°。不能滿足設(shè)備運輸和施工要求。采用偽斜布置方式對北部區(qū)域進行工作面布置，將順槽巷的坡度降到滿足機電運輸設(shè)備的需要。8909和8911工作面進行偽斜布置。8911工作面3條順槽按北偏東29°布置，兩順槽的坡度降到15°，但局部坡度也達到18°，工作面坡度達15°；8909工作面3條順槽按北偏東60°布置，兩順槽的坡度平均為14°，局部地段達18°，工作面平均坡度達14°，最大限度地回收資源。如圖1所示。

圖1 8909和8911工作面?zhèn)涡辈贾脠D

8909工作面設(shè)計改進：在8909工作面最初設(shè)計時，考慮到周邊小窯入侵的不確定程度，同時結(jié)合物探手段圈定的老空水威脅區(qū)域，從安全生產(chǎn)的角度考慮并進行設(shè)計，如圖1所示。但在8909工作面舊正巷施工過程中，采用鉆探手段，布置了17個鉆場，共打探孔50個，工作量2 186 m，未發(fā)現(xiàn)異常。根據(jù)舊正巷掘進過程中的鉆探資料，經(jīng)過認(rèn)真的分析研究，重新對8909工作面設(shè)計進行改進，如圖2所示，合理留設(shè)了超前距和幫距，將工作面長度向東南方向延長40 m，在距正巷外側(cè)40 m處配掘一條新正巷。同時運用物探與鉆探相結(jié)合的手段，在新正巷掘進過程中有針對性地設(shè)置了4個鉆場進行探疑。4個鉆場共打探孔15個，工作量620 m，通過實際運行完全能夠滿足生產(chǎn)安全要求。這樣該工作面切眼長度增大至170 m。

8911工作面處理：如圖3所示，8911工作面正巷在施工過程中，由于地形所限和受地質(zhì)構(gòu)造影響，揭露煤層的距離延長，造成邊角資源大且不易回收。經(jīng)過反復(fù)論證，利用已有巷道對工作面設(shè)計改進，在8911工作面正巷靠工作面?zhèn)?0 m處新配一條正巷，沿煤層底板掘進與8907腰巷貫通，掘進巷道的長度為130 m。這樣該段工作面長度由165 m縮短為145 m，工作面可多推進100余米。

優(yōu)化8907和8913工作面設(shè)計：在對九采區(qū)中部殘留煤柱工作面布置進行設(shè)計時，充分考慮資源的最大限度回收，減少護巷煤柱的留設(shè)，在設(shè)計中8913工作面尾巷復(fù)用做8907正巷，副尾巷間煤柱僅留設(shè)20 m，在8913工作面回采完畢后，使用馬麗散對保安煤柱及閉墻周圍進行加固，保證8907工作面復(fù)用。如圖4所示。

合理選擇采煤方法：8907、8913工作面屬于地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜工作面，工作面走向、傾向都很短，且工作面煤層走向傾角大。8913工作面切眼長度僅75 m，8907工作面切眼長度120 m，且兩順槽及切眼的部分區(qū)段是沿煤層頂板掘進的，按生產(chǎn)條件應(yīng)布置為炮采工作面，但經(jīng)過采用新技術(shù)手段，利用現(xiàn)有工作面條件，對8907工作面的兩順槽進行起底并采用打預(yù)留錨索、帶工字鋼托梁、相鄰兩根托梁上面打木垛接頂來降低順槽支護高度，回采時，正常打超前支護。這樣就由回采單一煤層變?yōu)榛夭呻p層煤層了，優(yōu)化采煤方法，進行綜合機械化采煤，提高了資源回收率。

圖2 8909工作面巷道布置圖

圖3 8911工作面巷道布置圖

圖4 8907、8913工作面巷道布置圖

4 殘采的技術(shù)效果及效益

4.1 實踐技術(shù)效果

通過鉆探、物探、巷探等手段查清了周邊小窯入侵、采空區(qū)積水和地質(zhì)構(gòu)造等因素，為開采方案的設(shè)計優(yōu)化提供了依據(jù)。

對復(fù)雜地形頂板采用預(yù)留錨索懸吊勾棚支護，利用馬麗散加固煤柱、封閉采空區(qū)等技術(shù)手段，改善了開采條件。

優(yōu)化了不規(guī)則區(qū)域和大傾角煤層的工作面設(shè)計。

4.2 經(jīng)濟效益

8908工作面多采60 m×540 m，采出煤量23萬t；8911工作面多回采了100 m。采出煤量10.5萬t；8909工作面切眼延長了40 m。多采出煤量15.6萬t，8907和8913工作面采用綜采，多采出煤量15萬t，總計多采出煤量64.1萬t，按噸煤利潤300元計算，創(chuàng)造經(jīng)濟效益19 230萬元。

4.3 社會效益

減少了資源的浪費，提高了資源的回收率。工程技術(shù)人員拓寬了思路，積累了經(jīng)驗，為今后復(fù)雜條件下工作面設(shè)計和邊角煤柱(不規(guī)則區(qū)段)的回收提供了寶貴的經(jīng)驗。鍛煉了工程技術(shù)人員和隊組，為特殊地質(zhì)條件下的施工積累了經(jīng)驗。

5 結(jié)語

綜合運用物探、鉆探、巷探等手段，采用新材料、新工藝對工作面重新設(shè)計，回采工藝進行優(yōu)化，總結(jié)出了一套提高復(fù)雜開采條件下殘采回收資源行之有效的方法，特別對資源量不足的礦井，具有可操作性，可以在類似開采條件的煤礦企業(yè)推廣應(yīng)用。