特厚煤层小煤矿采空区探测与充填复采技术.pdf

第4 0 卷第1 0 期 2 0 1 2年 1 0月 煤 炭科 学 技 术 Co a l S c i e n c e a nd Te c h n o l o g y Vo 1 ． 4 0 No ．1 0 0c t ． 2 01 2 特厚煤层小煤矿采 空区探 测与充填 复采技术 王 昕，翁明月 中煤集团山西金 海洋能源有 限公 司，山西 朔州0 3 6 0 0 0 摘 要针对平朔煤业有限公 司井工二矿二、三采区受到小煤矿开采破坏影响、采 空区 自然发 火、 积水积气情况不明、顶板 支护差、随时可能发生 冒顶等 问题 ，首先采用瞬变电磁法初步确定小煤矿 破坏范围，再用超前钻孔探 测井下具体工作面地质和小煤矿采空区结构及 围岩稳定性，最后 实际探 测小煤矿采空区巷道准确位置、采空区空间相 对位置、采空区内部 空间大小，以及采 空区内部水、 瓦斯、堆积物状况，最终实际探测结果确定具体的充填复采方案。通过对 B 9 0 9工作面进行探 测并 将工作面范围内的 7个小煤矿采空区全部充填后 ，工作面推进至充填采空区范围时没有发生漏顸、 片 帮状 况。 关键词 特厚煤层 ；小煤矿采空区；充填复采；瞬变电磁法；超前钻孔探测 中图分类号 T D 8 2 3 ． 8 8 文献标志码 A 文章编号 0 2 5 3 2 3 3 6 2 0 1 2 1 0 - 0 0 4 1 一 O 4 Pr e di c t i o n a nd Ba c k fil l M i n i ng Te c h no l o g y o f Ul t r a Thi c k Se a m i n Go a f o f Sma l l M i ne WANG Xi n， W ENG Mi n g y u e J i n h a i y a n g E n e r g y C o m p a n y ，C h i n a N a t i o n a l C o a l G r o u p C o r p o r a t i o n ， S h u o z h o u 0 3 6 0 0 0， C h i n a Ab s t r a c t Ac c o r d i n g t o N o ． 2 a n d No ． 3 mi n i n g b l o c k s a f f e c t e d b y t h e mi n i n g f a i l u r e i n a s ma l l mi n e，t h e s p o n t a n e o u s c o mb u s t i o n，u n c e r t a i n c o n d i t i o n s o f mi n e w a t e r p o n d i n g a n d g a s a c c u mu l a t i o n，p o o r r o o f s u p p o r t a n d o t h e r s i n t h e g o a f o f Un d e r g r o u n d No ． 2 Mi n e ，a t r a n s i e n t e l e c t r o ma g n e t i c me t h o d w a s fi r s t l y a p p l i e d t o d e t e r mi n e t h e f a i l u r e s c o p e o f t h e p r e v i o u s mi n e，t h e n a n a d v a n c i n g b o r e h o l e w a s a pp l i e d t o de t e c t t h e c e r t a i n g e o l o g y o f t h e c o a l mi n i n g f a c e a nd t o d e t e c t t he g o a l s t r uc t u r e a nd s ur r o un d i n g r o c k s t a b i l i t y o f t h e p r e v i o us s ma l l mi ne a nd fina l l y t o d e t e c t t h e a c c ur a t e l o c a t i o n o f t he g a t e wa y o f t he g o a f i n t h e s mall mi n e，t h e r e l a t e d l o c a t i o n o f t he g o a l s pa c e i n t h e s ma l l mi n e ，t h e i n n e r s p a c e s i z e o f t h e g o a f i n t h e s ma l l mi n e ，a s we l l a s t h e i n n e r wa t e r ，g a s a n d u p b u i l d i n g s c o n d i t i o n s i n t h e g o a f o f t h e s ma l l mi n e ．A c e rta i n b a c k fi l l r e mi n i n g p l a n wa s d e t e r mi n e d fi n a l l y a c c o r d i n g t o t h e d e t e c t i o n r e s u l t s ．W i t h t h e d e t e c t i o n c o n d u c t e d o n No ． B90 9 c o a l mi n i n g f a c e，s e v e n g o a f i n t h e s ma l l mi n e wi t hi n t he c o al mi n i ng f a c e we r e f u l l y ba c kfil l e d．W he n t h e c o al mi n i ng f a c e mo v e d f o r w a r d t o t h e b a c k fi l l e d g o a f ，t h e r e w a s n o r o o f l e a k a g e a n d s p all i n g o c c u r r e d ． Ke y wo r d s u l t r a t h i c k s e a m ；g o a f o f s ma l l mi n e ；b a c k fi l l mi n i n g ；t r a n s i e n t e l e c t r o ma g n e t i c me t h o d ；a d v a n c e b o r e h o l e d e t e c t i o n 煤炭是我 国的主体能源 ，作为不可再生能源煤 炭的储量有限，如何合理开采 ，减少资源浪费是不 容忽视的问题 。然而在我 国西北地区很多矿区 存在着小煤矿开采对矿井优 良资源产生破坏 的现 象。受经济、技术条件的制约，小煤矿开采技术落 后 ，一般采 用房柱式开采方 法，采煤机械化 程度 低 ，开采规模普遍较小 ，采 出率极低 J ，小煤矿 破坏区遗 留大量 的优质煤炭资 源 J 。小煤矿 开采 范围大多数在资源优 良的井田范围内，经小煤矿破 坏后的煤层 ，很难继续回采 ，给国家煤炭资源 以及 生态环境带来严重的破坏 。 近几年来国家采取积极措施 ，关闭了大量的小 煤矿 ，据统计 2 0 0 5 --2 0 0 9年仅 山西省就关闭淘 汰 落后小煤矿 3 3 0 0多座 。现有的小煤矿破坏区复 采技术还没能形成系统的研究成果 ，需要寻找一套 适合在小煤矿破坏区复采的完善技术 。因此研究特 收稿 日期 2 0 1 2 0 6 1 2 ；责任编辑 张扬 作者简介 王 昕 1 9 7 2 一 ，男 ，黑龙江牡丹江人 ，博士研 究生。T e l 0 3 4 9 7 0 5 2 2 2 2 网络出版时间 2 0 1 2 - 1 0 1 8 0 93 2 3 4；网络出版地址 h t t p ／ ／ w w w． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 1 1 ． 2 4 0 2 ． T D ． 2 0 1 2 1 0 1 8 ． 0 9 3 2 ． 0 1 0 ． h t ml 引用格式 王昕 ，翁 明月 ．特厚煤层小煤矿采空区探测与充填 复采技术 [ J ] ．煤炭科学技术 ，2 0 1 2 ，4 0 1 0 4 1 4 4，4 8 ． 41 2 0 1 2 年第1 0 期 煤 炭 科 学 技 术 第4 0 卷 厚煤层小煤矿破坏区充填复采技术具有现实意义和 推广应用价值 。 1 小煤矿破坏 区工作面概况 平朔煤业有限公司井工二矿是年产千万吨级的 特大型矿井 ，该矿二 、三采区内包含已关闭小煤矿 矿井 4座，小煤矿破坏区域影响矿井储量 4 0 0 0多 万 t ，对矿井服务年限影响很大。二 、三采 区小煤 矿分布情况见表 1 。 表 1 二、三采区内小煤矿分布情况 该矿井主采 4号 、9号煤层 ，其中 9号煤层平 均厚度 1 3 m，倾角 2～ 9 。 ，平均埋深 1 5 0 m。工作 面采用放顶煤采煤方法 ，割煤高度 3 ． 5 m，放煤高 度 9 ． 5 m。矿井最 先揭露 小煤矿采空 区在二 采 区 B 9 0 9工作 面 ，该 工作 面宽 度 3 0 0 m，推 采 长 度 1 5 4 0 m，小煤矿采空 区范 围处 于开切眼前 6 0 0～ 7 2 0 m。工作面内共包含 7个小煤矿采空 区，采空 区跨度 1 0～ 2 0 m，长度 2 0～ 6 0 m，高度 8～1 5 m， 小煤矿采空区底板处于工作面底板上约 1 ． 5 m。采 空区内存在高度不等的冒落煤矸石 ，经初步计算需 要充填约 1 ． 7万 m 的空间。经过注浆充填处理后 ， 工作面正常推进经过小煤矿充填 区域。B 9 0 9工作 面揭露的小煤矿采空区分布状况以及与工作面关系 如 图 1所示 。 2 特厚煤层小煤矿采空 区复采可行性分析 2 ． 1 特厚煤层小煤矿采空区分布特征 小煤矿生产规模较小 ，机械化程度低 ，一般为 人工开采，地下采空区面积相对较小 ，以巷道掘进 开采和房柱式开采为主。由于回采技术落后 ，一般 小煤矿采空区及巷道底板没有严格沿煤层顶底板施 工 ，小煤矿采 煤采 出率 比较低 ，一般 低于 3 0 ％ ， 因此 ，小煤矿破坏影 响区域遗 留大量优质 煤炭资 源。由于小煤矿 回采技术落后 ，无规范设计 ，且小 煤矿分布非常不规范 ，在大型矿井开采中遇小煤矿 破坏区影响的煤层区域 ，要完全避开小煤矿采空区 来布置正规工作面比较困难 。根据现有资料研究发 42 采 小煤矿采空 区局部放大 巷 ＼＼， ， 乡 ＼ ＼／／ 图 1 B 9 0 9工作 面揭露 的小煤矿采 空区 分布状况及 与工作面关 系 现，小煤矿采空区规模不大，小煤矿采空区之间的 间距较大 ，受其影 响的煤炭储量相对较多 ，因此 ， 对小煤矿破坏影响区域 的煤炭资源进行复采，工作 面直接回采通过影响区，对矿井提高可采储量 ，延 长矿井服务年限具有重要意义。 2 ． 2小煤矿采空区稳定性分析 在小煤矿破坏区煤层顶板没有完全垮落的区域 内遗留大小不等的空洞 ，即为小煤矿采空 区，小煤 矿采空 区内部空 问的高度 、宽度 、长度大小都不 等。小煤矿采空区顶板大多位于已趋稳定 的自然冒 落拱下 ，在没有外力扰动情况下会保持较长时间的 稳定 ，采空区内部存在冒落高度不等的煤矸石，有 的采空区内存在大量积水 。 根据实际揭露的小煤矿采空区分布状况 ，厚煤 层小煤矿采 空区的绝 大多数底板 处于煤层底板 上 1 ． 0～ 1 ． 5 m。对于此类小煤矿采空区如果不处理 ， 当工作面回采通过小煤矿采空区时 ，小煤矿空洞与 工作面空间贯通 ，其主要危害有 2种 ①工作面支 架暴露在小煤矿采空 区，没有顶板煤层覆 盖的支 架 ，不能保证工作面内人员 的安全 ，支架在较大范 围内 2 0～ 6 0 m没有支护阻力 ，支架难以推进 ， 支架状态难 以控制 ，而以支架为行走依托的前后部 刮板输送机也难移动。②在小煤矿采空区内有 冒落 煤矸石 的情况下 ，由于冒落煤矸石属于松散体没有 整体稳定性 ，只有较小的相互摩擦力，当工作面回 采揭露松散煤矸石时，大体积的松散煤矸石会频繁 王 听等 特厚煤层小煤矿采空区探测与充填复采技术 2 0 1 2年第 1 O期 涌人工作面 ，给工作面正常推进带来不利影响 。 即使采用超前预注浆加固措施 ，由于冒落矸石高度 不一 ，还会存在支架无接顶 区域，进而造成安全生 产事故 。 以上分析是考虑工作面顶板和 冒落煤矸石对工 作面正常推进和安全 回采的影响 ，而当工作面推进 至小煤矿采空区时还有因超前压力影响小煤矿采空 区再次冒落的重大安全隐患。通过以上初步分析可 以看出 ，在不处理小煤矿采空区的情况下综放工作 面难以直接 回采通过小煤矿破坏区。在无采动影响 时 ，小煤矿采空区围岩是稳定 的，因复采扰动，围 岩压力拱的平衡会被打破 ，导致顶板失稳垮落 ，必 然会 冲击工作 面支架。如果 采空 区的范 围不 是很 大 ，向采空区内充填足够高度 、足够强度的无机材 料 ，可以达到正常煤层的回采要求 ，一般采用注浆 充填 的方法 可形成再生顶板 ，并形成一个 关键 承载层。所 以，如果要 回采 小煤矿破坏 区煤 炭资 源 ，保证工作 面在此范围内正常推进 、安全 回采， 对综放工作面内包含的小煤矿采空区进行充填处理 是 必须 的 。 3小煤矿采空 区探测 3 ． 1 瞬变 电磁 法探测 根据矿井地面物探和井下巷道瞬变电磁法超前 探测的结果 ，发现瞬变 电磁法探测结果与实际揭露 小煤矿采空区分布范围出入较大 ，只覆盖部分小煤 矿采空区，有的小煤矿采空区却没有显示出来。因 此 ，地面物探结果只能作为初步确定小煤矿破坏范 围的参考 ，为其他探洲提供探测方 向和探测范围 ， 能够为井下生产直接服务的探测必须是井下超前钻 孔探测。 3 ． 2 超前钻孔探测 井下现场探测主要是具体工作面掘进地质探测 和小煤矿采空区结构及 围岩稳定性探测。主要对小 煤矿采空区的水 、火 、瓦斯进行探测。 综合矿井地质条件 、巷道与小煤矿采空区相对 位置、掘进施工进度等因素 ，超前钻孔探测主要采 用长探 与短探相结 合 的方法 进行巷 道超 前探 测。 ①长探 在 B 9 0 9工作面巷道内每隔 7 0 m施工 1个 钻场，钻场内施工探孔 4 个，钻孔呈三角形立体布 置 水平方向布置 3个钻孔 ，掘进方向布置 1 个斜 穿 9号煤层钻孔 ，防止小煤矿巷道或采空区在 9号 煤层 中上 部 ，角度 分别 为 1 2 。 、2 1 。 、2 1 。 、3 0 。 ， 钻孑 L 编号为 1 _ _ 4号 ，孔深均为 1 0 0 m，实现终孔 呈立体三角形 。②短探 在 B 9 0 9主运输巷掘进工 作面布置 3个探 孔 ，各孔 角度分别 为 1号孔 1 6 。 距左帮 1 m 、2号孑 L 2 1 。 巷 中 、3号孔 2 6 。 距右帮 1 IT I ，孔深均为 2 0 m。巷道每掘 1 0 i n实 施短孑 L 探测 1 次 ，钻孔呈扇形布置。 3 ． 3小煤矿采空区实际探测 当 B 9 0 9工作面主 、辅运输巷全部贯通形成工 作面通风系统后 ，开始进行小煤矿采空区详细探测 施工。探测步骤 为通风 、探测小 煤矿巷 道稳定 性 、探测小煤矿采空 区空间大小。探测内容主要包 括小煤矿采空区巷道准确位置 ，采空区空间相对位 置 ，采空 区内部 空问大小 以及采 空区 内部水 、瓦 斯、堆积物状况 。 小煤矿采空区探测前先准备好局部通风机和风 筒 ，由通风人员和探测人员一起 ，通风一段探测一 段。小煤矿采空区探测人员由矿井安全 、地测 、通 风及相关技术人员组成 ，按由外到内逐步推进 的原 则 ，先探测小煤矿采空区巷道顶板 、煤帮的稳定性 及小煤矿巷道内瓦斯 、煤尘状况。如果发现小煤矿 巷道顶板、煤帮不够稳定则必须先停止探测，待将 通风区域巷道维修完毕确保探测人员安全后再进行 深入 探测 。 小煤矿采空区巷道位置初步探测清楚 ，然后对 小煤矿采空区巷道进行安全稳定性维护。在保证探 测人 员 安全 的前 提下 ，组 织地 测 部技 术 人 员从 B 9 0 9主运输巷开始 ，对小煤矿采空区巷 道进行准 确测量 ，对小煤矿采空区空间初步定位并绘制小煤 矿采空区工程平面图，为小煤矿采空区灌浆充填处 理设计与施工以及工作面回采提供依据。 4 小煤矿采空区充填处理及复采 4 ． 1 充填施工 充填材料选择的要求主要是 充填材料终凝强 度达到 1～5 M P a ，并且强度配 比易于调节 ；凝 固 后的充填材料易于采煤机截割，破碎后成块状 ；密 度大于煤不影响分选 ；充填材料必须为无机粉状 ， 其强度可通过对水灰比和发泡倍数调节而改变 ，经 现场试验得出，使用发泡水泥和瑞米充填密闭材料 I号、 Ⅱ号 能够满足要求 ；截割层充填要求材 料具有很好的流动性和渗透性 ，强度在 2～ 3 MP a ， 43 2 0 1 2 年第1 0 期 煤 炭 科 学 技 术 第4 0 卷 充填材料采用发泡水泥和瑞米 I 号 ；承载层充填要 求材料的最终抗压强度达到 3 MP a以上，充填材料 采用发泡水泥和瑞米 Ⅱ号 ；上部充填层要求强度达 到 1 M P a以上 ，充填材料以发泡水泥为主。充填泵 输送距离长度要达到 3 0 0 m，高程达到 1 5 0 m。 注浆充填主要充填小煤矿采空区，小煤矿原有 巷道只需采用锚杆、锚索、塑料网进行加固，不采 取充填措施 。充填施工前需给出充填工艺巷与小煤 矿采空区之间准确的相对位置 ，以避免施工钻孔不 符合注浆充填要求而报废。注浆前要对小煤矿采空 区进行密闭，密闭墙位 于采空区外侧废 旧巷道 内， 采用砖结构密闭墙逐一密闭采空区 ，然后开始注浆 充填施工。 注浆充填施工可以选择在本煤层巷道 内，本煤 层巷道注浆需要埋设钢管 ；也可以根据上下煤层巷 道关系选择在其上方煤层 间距较小的巷道 内施工 ， 上方巷道施工则不需要埋设管路 ，可直接从钻孔 向 下注浆 ，主要工艺流程为 从上方巷道内向小煤矿 采空区内施工注浆钻孑 L 和排风检验钻孔 ，钻孔直径 7 0～9 5 m m，钻孔终点必须处于采空区最高点位置 附近 ，然后封孔注浆。当排风检验钻孔流出注浆液 体时表明注浆材料已经基本接触采空区顶板 。 根据工作面回采空间相对关系以及充填材料力 学性能 ，为提高工作面回采效果和再生顶板围岩稳 定性 ，节约充填成本 ，采用分层注浆方式 ，即工作 面采高范围和工作面顶板以上空间采用发泡倍数较 大、强度较低的材料注浆 ，工作面顶板范围空间采 用强度较高的材料注浆。小煤矿采空区分层注浆剖 面如图 2所示。 图 2 小煤矿呆 空区分层注浆剖面示意 设计工作面割煤高度范围的充填材料配比强度 为 2～3 MP a ，即图 2中材料 1的强度 ；工作面顶 板 4 m厚度范 围充填材料 强度 为 4～5 MP a ，即材 料 2的强度 ；其余上部空 间采用约 1 MP a配 比强 度 ，即材料 3的强度。注浆充填期 间每班必须安排 人员严格控制材料配 比。 4 4 4 ． 2复采效果分析 复采工作面 内 7个小煤矿采空区全部充填后 ， 工作面正常推进。在工作 面小煤矿破坏区 8 0 m范 围内设矿压观测站 ，安装多组深孔位 移计 和应力 计 ，实时观测回采时小煤矿破坏区顶板离层及超前 压力显现情况。由工作面现场实践经验和矿压观测 结果得出 ，工作面过小煤矿采空区期间，巷道位移 变化很小 ，顶板未出现明显离层 ，巷道两帮及工作 面煤壁稳定 ，动压显现不明显。充填材料与小煤矿 采空区的围岩胶结良好 ，形成整体 ，能够满足工作 面正常推进期 问顶板维护的需要 ，当工作面推进至 充填采空区时，距离采空 区 2 0 m范围以外均可以 正常放煤。 根据首个工作面试验结果 ，注浆充填处理小煤 矿采空区效果 良好 ，工作面推进至充填采空区范围 时没有发生过漏顶 、片帮状况。由于小煤矿采空区 已经有过应力释放过程 J ，而且采空 区顶板产生 的超前压力 向小煤矿采空区周围实体煤中转移 ，因 此 ，采空区充填范 围矿压显现 比工作 面正常段弱 ， 工作面煤壁区也较正常段稳定。工作面实际充填 回 采效果如图 3所示。 ■ 壁 a 冒落矸石 胶结效果 b 充填材料 与煤壁胶 结效果 图3 小煤矿采空区充填复采效果 5 结 语 在工作面回采小煤矿充填区域时共回采煤炭资 源 6 4万 t ，充填材料成本 1 7 3 0万元 ，加上相应的 工程费用等合计支出 1 9 8 5万元 ，按 目前销售价格 每吨煤炭纯利润 2 6 8元 ，由此带来的纯利润 1 ． 5 1 7 亿元 ，经济效益非常可观 。 现场实践表 明物理探测与超前钻孔探测相结 合的探测方法能够有效地探明小煤矿采空区的破坏 程度。充填复采处理采区内小煤矿采空区是一种行 之有效的方法 ，工作面正常推进过充填采空区时工 作面顶板和煤壁区具备足够的稳定性 ，具有普遍推 广价值 。 下转第 4 8页 2 0 1 2 年第1 0 期 煤 炭 科 学 技 术 第4 0 卷 3 大采高综采设备应用效果分析 1 通 过 实践 验 证 ，采用 国产 Z Y 1 0 8 0 0 ／ 2 8 ／ 6 3 D支架 ，不仅能够满足支护需要 ，也能够满足采 高、电液控制、运输 、通风断面等要求 。 2 该套 以进 口为主的工作 面设备使用以来 ， 显示出采煤机割煤能力大 ，整体配套合理 ，运转系 统输送能力大 ，与国产综采设备相比，进 口大采高 设备技术先进 ，自动化程度高、故障率低 ，运行可 靠。缺点主要是设备和配件的采购价格高 ，运行成 本高。 3 提高综采设备的管理水平 ，按照设备说明 书进行经常性的观察维护，确保设备正常运行 ，特 别要注意检修刮板输送机链条的安全度，避免发生 断链事故。 4 开机率是综采设备的适应性、可靠性 、管 理水平 、生产系统 、煤层地质条件的综合反映。提 高开机率是提高综采生产效益的最优途径 。根据矿 井实际情况，该矿采取提高开机率的主要措施有 ①通过培训，提高队伍技术水平、提高队伍素质以 及实行科学规范化管理 ；②矿井使用的进 口装备固 有可靠性高，重在设备使用可靠性方面对设备工作 状态的监测、故障诊断和预报运行参数的控制 ，并 且对设备进行计划维修与强制维修相结合 ，确保设 备处于良好的运转状态，设备配件要充足，缩短维 修时间 ；③强化外部运输环节配套 ，创造 良好外部 运输环境 ，提高矿井高产高效 。 4 结 语 一 次采全高进 口综采设备在斜沟煤矿大采高回 采工艺中的应用实现了工作面高效快速的推进 ，以 及安全 、高产 、高效、高采出率的生产 ，取得较高 的经济效益 ，同时也发现了一些亟待解决 的关键性 问题 。大采高综采技术装备是高产高效高采 出率采 煤技术重要发展方 向和有利保障 ，大采高综采技术 比综放开采能有更好 的效益 ，使得大采高综采技术 在其他矿区也可进行推广应用 。依托先进 的技术装 备优势 ，进一步提高矿井生产 的集约化程度 ，引进 新技术 、新设备、新工艺能大幅度提高装备水平和 生产能力 ，同时对新技术新工艺进行消化 吸收，不 断研究探索出一条设备国产化的道路。 4 8 参考文献 [ 1 ] 宋伟 ，郑忠友 ，刘清宝 ．西 山斜 沟煤矿 特厚煤 层采煤 方 法探讨 [ J ] ．陕西煤炭 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