煤礦保護(hù)煤柱優(yōu)化設(shè)計(jì)分析

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摘要:缺少巖移參數(shù)的礦井對(duì)保護(hù)煤柱寬度的計(jì)算主要來自《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》中的經(jīng)驗(yàn)公式，但是不同開采條件下保護(hù)煤柱的計(jì)算結(jié)果差異明顯，如何合理留設(shè)保護(hù)煤柱對(duì)于提高礦井資源回收利用率和經(jīng)濟(jì)效益具有重要意義。杭來灣煤礦30109—30110工作面切眼地表上方有一處陵園，計(jì)劃將敬天陵園壓覆的區(qū)域留設(shè)保護(hù)煤柱，根據(jù)以往30101、30107、30108工作面采煤沉陷相關(guān)巖移參數(shù)，結(jié)合相鄰回采工作的觀測(cè)結(jié)果，對(duì)敬天陵園的最優(yōu)保護(hù)煤柱寬度進(jìn)行分析和探討，對(duì)礦井今后保護(hù)煤柱的留設(shè)提供了新的思路和方法。

關(guān)鍵詞:杭來灣煤礦;保護(hù)煤柱;地表沉降;塌陷裂縫

引言

目前《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)范》是保護(hù)煤柱計(jì)算和設(shè)計(jì)的主要依據(jù)［1］，由于大部分礦井缺少本礦井的相關(guān)巖移參數(shù)，對(duì)保護(hù)煤柱計(jì)算參數(shù)只能取參考值，這些參數(shù)與煤層頂?shù)装鍘r性、埋藏深度、厚度、傾角、開采方法、采厚、和圍巖穩(wěn)定性等諸多因素有關(guān)［2］，不同礦井地質(zhì)條件和開采條件不盡相同，對(duì)保護(hù)煤柱的計(jì)算缺乏科學(xué)性和合理性，實(shí)際指導(dǎo)意義并不大［3－6］。保護(hù)煤柱的合理留設(shè)直接影響煤炭資源的合理開采和利用、礦井的可持續(xù)發(fā)展、生產(chǎn)服務(wù)年限、工作面搬家周期、采掘接續(xù)計(jì)劃和單面煤炭采出量，對(duì)礦井經(jīng)濟(jì)效益的影響尤為明顯［7－8］，保護(hù)煤柱的設(shè)計(jì)在考慮安全性的同時(shí)還應(yīng)當(dāng)兼顧合理性。因此，礦井應(yīng)結(jié)合實(shí)際開采情況，對(duì)保護(hù)煤柱的合理寬度進(jìn)行分析和探討，旨在減小壓覆資源和提高礦井經(jīng)濟(jì)效益［9］。保護(hù)煤柱寬度較大，煤柱損失的資源量相應(yīng)的增大;保護(hù)煤柱寬度較小，開采引起的地表沉陷和裂縫對(duì)地表建(構(gòu))筑物產(chǎn)生破壞影響［10－12］。文中以杭來灣煤礦為研究對(duì)象，根據(jù)以往工作面回采對(duì)地表建(構(gòu))筑物的影響程度和周邊煤礦開采地表沉陷規(guī)律，對(duì)敬天陵園保護(hù)煤柱的合理留設(shè)問題進(jìn)行分析，在不對(duì)地面建筑物造成破壞的前提下，選擇保護(hù)煤柱的合理留設(shè)尺寸和工作面切眼位置設(shè)計(jì)方案。

1研究實(shí)例

敬天陵園位于杭來灣井田301盤區(qū)30109工作面和30110工作面切眼上部，受整體搬遷費(fèi)用高、難度大、協(xié)調(diào)困難等因素影響，計(jì)劃在陵園范圍留設(shè)保護(hù)煤柱，并改變?cè)?0109工作面和30110工作面切眼位置。陵園內(nèi)主要保護(hù)對(duì)象為硬化的水泥路和一座高度約10m的佛像，這些保護(hù)對(duì)象對(duì)地表沉降的控制要求較低，因此陵園保護(hù)煤柱的留設(shè)，可以在不引起陵園地面沉陷的前提下，盡可能多的以回收煤炭資源為設(shè)計(jì)原則。

2回采工作面地表沉降規(guī)律

杭來灣煤礦在地表沉降觀測(cè)和采煤沉陷治理等方面開展了大量的觀測(cè)和研究工作，通過在30101、30107、30108工作面成組布設(shè)觀測(cè)線，根據(jù)回采進(jìn)度分別在采前、采中和采后3個(gè)階段進(jìn)行跟蹤觀測(cè)，掌握了回采工作面地表沉陷邊界角、移動(dòng)角、裂縫角、下沉系數(shù)等相關(guān)巖移參數(shù)，為礦井保護(hù)煤柱的留設(shè)提供了重要依據(jù)。3個(gè)工作面地表沉降觀測(cè)成果顯示，開采引起的地表沉降在工作面順槽兩側(cè)的最大影響范圍約為145m。但根據(jù)實(shí)際沉降量來看，工作面順槽60m范圍外，如圖1所示，地表累計(jì)下沉量小于50mm，地表傾斜變形i最大=2．85mm/m＜10mm/m，高度20m磚或鋼筋混凝土煙筒的允許變形值［1］，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于地表傾斜變形值，可見工作面回采對(duì)地表產(chǎn)生的影響基本可以忽略不計(jì)。因此，可以認(rèn)為回采工作面順槽以外60m產(chǎn)生的沉降與開采沒有直接聯(lián)系，工作面開采在順槽外最大影響范圍為60m，這一數(shù)值也可以作為保護(hù)煤柱留設(shè)的參考值。

3回采工作面開采影響范圍

按照《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)范》中給出的計(jì)算公式，計(jì)算出的保護(hù)煤柱寬度約為120m，設(shè)計(jì)的保護(hù)煤柱邊界超過30108輔運(yùn)順槽，向30108工作面延伸的最長(zhǎng)距離為108m，最短距離為95m，30108工作面煤柱距離陵園保護(hù)邊界的煤柱最小寬度為56m，如圖2所示。如果30108工作面按照原保護(hù)煤柱劃定的范圍進(jìn)行回采，那么30108工作面也需要調(diào)整切眼的位置，否則無法正常回采。但是在30108工作面實(shí)際開采過程中，距離工作面最近的陵園邊界附近未出現(xiàn)明顯的塌陷和裂縫，30108工作面開采間接驗(yàn)證了保護(hù)煤柱寬度為56m的情況下，未對(duì)陵園產(chǎn)生直接影響，該寬度可以作為保護(hù)煤柱設(shè)計(jì)的參考。

4周邊礦井沉降影響

雙山煤礦與杭來灣井田303盤區(qū)東翼東南邊界相鄰，該礦井在杭來灣井田邊界外40m，沿井田邊界布置有一個(gè)綜放工作面，工作面長(zhǎng)度2504m，寬度266m，采用綜采放頂煤的開采方法，平均采高約為9．0m，全部垮落法管理頂板。根據(jù)井田邊界裂縫觀測(cè)結(jié)果，如圖3所示，雙山煤礦綜放開采的條件下，在工作面順槽一側(cè)，形成的水平裂縫距杭來灣井田邊界的最近距離為18m，未在杭來灣井田范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)較大的裂縫。因此，在井田邊界保護(hù)煤柱寬度為40m的情況下，雙山煤礦綜放開采未在杭來灣井田內(nèi)形成裂縫。由此可見，保護(hù)煤柱寬度為40m的情況下，開采未在杭來灣井田范圍內(nèi)產(chǎn)生塌陷裂縫。

5存在問題及對(duì)比評(píng)價(jià)

5．1存在問題

30108工作面與陵園保護(hù)煤柱最小寬度為62m的情況下，開采未對(duì)陵園造成影響，證明該寬度是安全合理的;30101工作面沉降觀測(cè)成果顯示，回采工作面順槽外60m范圍，地表的沉陷基本穩(wěn)定，可見開采不會(huì)對(duì)工作面順槽60m以外的范圍產(chǎn)生影響;同時(shí)井田邊界保護(hù)煤柱寬度為40m的情況下，雙山煤礦綜放開采未在杭來灣井田內(nèi)產(chǎn)生塌陷裂縫。綜上所述，礦井設(shè)計(jì)的保護(hù)煤柱(120m)很大程度上造成了煤炭資源的損失，不利于資源的合理開采與利用，因此，建議縮小原有的保護(hù)煤柱寬度，在不對(duì)地表建筑物造成破壞的前提下，將保護(hù)煤柱寬度控制在30～60m之間，從而達(dá)到既保證資源回收最大化，又實(shí)現(xiàn)安全回采的目的。

5．2對(duì)比評(píng)價(jià)

根據(jù)設(shè)計(jì)保護(hù)煤柱(寬度145m)和建議保護(hù)煤柱(寬度70m)不同，將保護(hù)煤柱對(duì)30109工作面和30110工作面的影響范圍和壓覆資源量進(jìn)行了對(duì)比，對(duì)比情況見表1。對(duì)比和分析設(shè)計(jì)煤柱和建議煤柱對(duì)30109和30110工作面的影響結(jié)果顯示:建議煤柱和設(shè)計(jì)煤柱相比，30109工作面和30110工作面長(zhǎng)度分別增加了70m和72m，相應(yīng)的30109工作面和30110工作面將分別多采出原煤17萬t和18萬t，工作面整體增加產(chǎn)值將超億元。

6結(jié)論

(1)目前設(shè)計(jì)的陵園保護(hù)煤柱在不考慮以后采取其他方法回收資源的情況下(寬度120m)，造成了較多的資源浪費(fèi)，可以考慮將保護(hù)煤柱寬度控制在60m的范圍內(nèi)，減小陵園壓覆煤量，提高資源收回率。(2)30108工作面開采未在陵園邊界附近造成地表塌陷和道路裂縫，可見30108工作面與陵園邊界之間的保護(hù)煤柱(最小寬度56m)是安全合理的。(3)與原設(shè)計(jì)煤柱相比，將保護(hù)煤柱寬度設(shè)為70m的條件下，30109工作面上分層將多采出原煤17萬t，30110工作面上分層將多采出原煤18萬t，累計(jì)增加產(chǎn)值上億元，有效地提高了礦井整體效益。

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作者：韓鑫儒 單位：陜西有色榆林煤業(yè)有限公司