董文龍

(山西省陽(yáng)泉市南莊煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司南莊分公司，山西 陽(yáng)泉 045000)

0 引言

殘采采煤一直是所有煤礦遇到的普遍問(wèn)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(duì)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(yáng)泉市南莊煤礦，是南煤集團(tuán)下設(shè)的一個(gè)分公司，是集生產(chǎn)、安全、經(jīng)營(yíng)、核算為一體的現(xiàn)代化生產(chǎn)礦井，實(shí)行以成本為中心的全額預(yù)算管理體制，是南莊煤炭集團(tuán)的核心企業(yè)。煤礦經(jīng)過(guò)多次技術(shù)改造，2002年礦井的生產(chǎn)能力已經(jīng)達(dá)到0.9 Mt/a；2004年5月經(jīng)山西省國(guó)土資源局批準(zhǔn)，將大陽(yáng)泉井田南部2.05 km2劃歸南莊井田，對(duì)南莊煤礦進(jìn)行技術(shù)改造并擴(kuò)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(xiàng)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(duì)比，可分為3個(gè)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(xì)～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(qián)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(qián)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(xì)～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(duì)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(shuō)明當(dāng)時(shí)離海較遠(yuǎn)，而厚度較薄的13#、14#煤，其直接頂板均為石灰?guī)r，說(shuō)明當(dāng)時(shí)離海很近，當(dāng)時(shí)地殼稍有下降，即為海水所淹沒(méi)，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(xì)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(jiàn)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(zhǎng)度約1 200 m，嚴(yán)重影響了九采區(qū)的開(kāi)采布置，整個(gè)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(chǔ)量問(wèn)題統(tǒng)計(jì)

截止2005年底，礦井保有地質(zhì)儲(chǔ)量5 595萬(wàn)t，可采儲(chǔ)量3 460萬(wàn)t，按200萬(wàn)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(xiàng)目設(shè)計(jì)應(yīng)用

3.1 殘采項(xiàng)目設(shè)計(jì)

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

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

3.2 項(xiàng)目設(shè)計(jì)應(yīng)用

采區(qū)護(hù)巷煤柱回收優(yōu)化：15#煤九采區(qū)大巷護(hù)巷煤柱回收工作面，在采區(qū)大巷布置時(shí)，由于當(dāng)時(shí)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(jì)時(shí)，大膽運(yùn)用巷探手段，掘進(jìn)巷道長(zhǎng)度70 m，未揭露斷層，同時(shí)也未發(fā)現(xiàn)有瓦斯涌出和涌水情況，沿?cái)鄬幼呦蛑匦屡淞艘粭l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(jìn)施工過(guò)程中未揭露斷層。采用綜合機(jī)械化采煤方法進(jìn)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(duì)北部區(qū)域進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，在查找資料的基礎(chǔ)上，一方面充分考慮運(yùn)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(dá)到22°。不能滿足設(shè)備運(yùn)輸和施工要求。采用偽斜布置方式對(duì)北部區(qū)域進(jìn)行工作面布置，將順槽巷的坡度降到滿足機(jī)電運(yùn)輸設(shè)備的需要。8909和8911工作面進(jìn)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(dá)到18°，工作面坡度達(dá)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(dá)18°，工作面平均坡度達(dá)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(jì)改進(jìn)：在8909工作面最初設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到周邊小窯入侵的不確定程度，同時(shí)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(jìn)行設(shè)計(jì)，如圖1所示。但在8909工作面舊正巷施工過(guò)程中，采用鉆探手段，布置了17個(gè)鉆場(chǎng)，共打探孔50個(gè)，工作量2 186 m，未發(fā)現(xiàn)異常。根據(jù)舊正巷掘進(jìn)過(guò)程中的鉆探資料，經(jīng)過(guò)認(rèn)真的分析研究，重新對(duì)8909工作面設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)，如圖2所示，合理留設(shè)了超前距和幫距，將工作面長(zhǎng)度向東南方向延長(zhǎng)40 m，在距正巷外側(cè)40 m處配掘一條新正巷。同時(shí)運(yùn)用物探與鉆探相結(jié)合的手段，在新正巷掘進(jìn)過(guò)程中有針對(duì)性地設(shè)置了4個(gè)鉆場(chǎng)進(jìn)行探疑。4個(gè)鉆場(chǎng)共打探孔15個(gè)，工作量620 m，通過(guò)實(shí)際運(yùn)行完全能夠滿足生產(chǎn)安全要求。這樣該工作面切眼長(zhǎng)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(guò)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(zhǎng)，造成邊角資源大且不易回收。經(jīng)過(guò)反復(fù)論證，利用已有巷道對(duì)工作面設(shè)計(jì)改進(jìn)，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(jìn)與8907腰巷貫通，掘進(jìn)巷道的長(zhǎng)度為130 m。這樣該段工作面長(zhǎng)度由165 m縮短為145 m，工作面可多推進(jìn)100余米。

優(yōu)化8907和8913工作面設(shè)計(jì)：在對(duì)九采區(qū)中部殘留煤柱工作面布置進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，充分考慮資源的最大限度回收，減少護(hù)巷煤柱的留設(shè)，在設(shè)計(jì)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(duì)保安煤柱及閉墻周圍進(jìn)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(zhǎng)度僅75 m，8907工作面切眼長(zhǎng)度120 m，且兩順槽及切眼的部分區(qū)段是沿煤層頂板掘進(jìn)的，按生產(chǎn)條件應(yīng)布置為炮采工作面，但經(jīng)過(guò)采用新技術(shù)手段，利用現(xiàn)有工作面條件，對(duì)8907工作面的兩順槽進(jìn)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(lái)降低順槽支護(hù)高度，回采時(shí)，正常打超前支護(hù)。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(jìn)行綜合機(jī)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(shí)踐技術(shù)效果

通過(guò)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(kāi)采方案的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供了依據(jù)。

對(duì)復(fù)雜地形頂板采用預(yù)留錨索懸吊勾棚支護(hù)，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(kāi)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(jì)。

4.2 經(jīng)濟(jì)效益

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

4.3 社會(huì)效益

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

5 結(jié)語(yǔ)

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