煤礦保護煤柱優(yōu)化設(shè)計分析

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摘要:缺少巖移參數(shù)的礦井對保護煤柱寬度的計算主要來自《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)驗公式，但是不同開采條件下保護煤柱的計算結(jié)果差異明顯，如何合理留設(shè)保護煤柱對于提高礦井資源回收利用率和經(jīng)濟效益具有重要意義。杭來灣煤礦30109—30110工作面切眼地表上方有一處陵園，計劃將敬天陵園壓覆的區(qū)域留設(shè)保護煤柱，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結(jié)果，對敬天陵園的最優(yōu)保護煤柱寬度進行分析和探討，對礦井今后保護煤柱的留設(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》是保護煤柱計算和設(shè)計的主要依據(jù)［1］，由于大部分礦井缺少本礦井的相關(guān)巖移參數(shù)，對保護煤柱計算參數(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，對保護煤柱的計算缺乏科學性和合理性，實際指導意義并不大［3－6］。保護煤柱的合理留設(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)計劃和單面煤炭采出量，對礦井經(jīng)濟效益的影響尤為明顯［7－8］，保護煤柱的設(shè)計在考慮安全性的同時還應當兼顧合理性。因此，礦井應結(jié)合實際開采情況，對保護煤柱的合理寬度進行分析和探討，旨在減小壓覆資源和提高礦井經(jīng)濟效益［9］。保護煤柱寬度較大，煤柱損失的資源量相應的增大;保護煤柱寬度較小，開采引起的地表沉陷和裂縫對地表建(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象，根據(jù)以往工作面回采對地表建(構(gòu))筑物的影響程度和周邊煤礦開采地表沉陷規(guī)律，對敬天陵園保護煤柱的合理留設(shè)問題進行分析，在不對地面建筑物造成破壞的前提下，選擇保護煤柱的合理留設(shè)尺寸和工作面切眼位置設(shè)計方案。

1研究實例

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，受整體搬遷費用高、難度大、協(xié)調(diào)困難等因素影響，計劃在陵園范圍留設(shè)保護煤柱，并改變原30109工作面和30110工作面切眼位置。陵園內(nèi)主要保護對象為硬化的水泥路和一座高度約10m的佛像，這些保護對象對地表沉降的控制要求較低，因此陵園保護煤柱的留設(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和采煤沉陷治理等方面開展了大量的觀測和研究工作，通過在30101、30107、30108工作面成組布設(shè)觀測線，根據(jù)回采進度分別在采前、采中和采后3個階段進行跟蹤觀測，掌握了回采工作面地表沉陷邊界角、移動角、裂縫角、下沉系數(shù)等相關(guān)巖移參數(shù)，為礦井保護煤柱的留設(shè)提供了重要依據(jù)。3個工作面地表沉降觀測成果顯示，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)實際沉降量來看，工作面順槽60m范圍外，如圖1所示，地表累計下沉量小于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］，遠遠小于地表傾斜變形值，可見工作面回采對地表產(chǎn)生的影響基本可以忽略不計。因此，可以認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》中給出的計算公式，計算出的保護煤柱寬度約為120m，設(shè)計的保護煤柱邊界超過30108輔運順槽，向30108工作面延伸的最長距離為108m，最短距離為95m，30108工作面煤柱距離陵園保護邊界的煤柱最小寬度為56m，如圖2所示。如果30108工作面按照原保護煤柱劃定的范圍進行回采，那么30108工作面也需要調(diào)整切眼的位置，否則無法正?；夭?。但是在30108工作面實際開采過程中，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工作面開采間接驗證了保護煤柱寬度為56m的情況下，未對陵園產(chǎn)生直接影響，該寬度可以作為保護煤柱設(shè)計的參考。

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綜放工作面，工作面長度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存在問題及對比評價

5．1存在問題

30108工作面與陵園保護煤柱最小寬度為62m的情況下，開采未對陵園造成影響，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，可見開采不會對工作面順槽60m以外的范圍產(chǎn)生影響;同時井田邊界保護煤柱寬度為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)計的保護煤柱(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煤柱寬度，在不對地表建筑物造成破壞的前提下，將保護煤柱寬度控制在30～60m之間，從而達到既保證資源回收最大化，又實現(xiàn)安全回采的目的。

5．2對比評價

根據(jù)設(shè)計保護煤柱(寬度145m)和建議保護煤柱(寬度70m)不同，將保護煤柱對30109工作面和30110工作面的影響范圍和壓覆資源量進行了對比，對比情況見表1。對比和分析設(shè)計煤柱和建議煤柱對30109和30110工作面的影響結(jié)果顯示:建議煤柱和設(shè)計煤柱相比，30109工作面和30110工作面長度分別增加了70m和72m，相應的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)計的陵園保護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，可以考慮將保護煤柱寬度控制在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煤柱(最小寬度56m)是安全合理的。(3)與原設(shè)計煤柱相比，將保護煤柱寬度設(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