同忻礦小煤柱沿空掘巷開采實(shí)踐探討

劉寶舜 王亞軍

（同煤國電同忻煤礦有限公司，山西大同037000）

0 引言

目前，同煤集團(tuán)千萬噸級礦井均是主采太原組3-5#煤層，其煤層厚度0 m～35.31 m，平均13.67 m，工作面賦存條件較簡單。由于煤層厚度大，頂?shù)装鍒?jiān)硬，礦壓顯現(xiàn)較嚴(yán)重，長期以來綜放工作面布置時(shí)，相鄰工作面之間的煤柱均在30 m～40 m。在開采過程中，常出現(xiàn)臨空巷頂板下沉、兩幫移近量大、底鼓、超前支護(hù)壓彎壓斷等現(xiàn)象，造成安全出口不暢通，給安全生產(chǎn)帶來極大隱患。近期，同煤集團(tuán)開始推廣小煤柱沿空掘巷技術(shù)，巷道維護(hù)狀況及投入有了根本改觀。本文以同煤集團(tuán)同忻礦為例，簡要說明實(shí)施小煤柱沿空掘巷后在巷道維護(hù)及經(jīng)濟(jì)效益等方面取得的主要成效。

1 工程概況

同忻礦3-5#煤層厚度在15 m左右，煤層傾角3°左右，巖石柱狀圖見圖1，采用放頂煤一次采全高開采。

圖1 綜放工作面柱狀

1.1 沿空掘巷理論分析

沿空掘巷技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)基本成熟[1-6]，已有大量的學(xué)者進(jìn)行了相應(yīng)的研究工作，但像同忻礦賦存的平均厚度在15 m 左右的綜放工作面應(yīng)用至今比較少見。在一般情況下，當(dāng)工作面開采完畢頂板穩(wěn)定后，一側(cè)采空煤柱（體）的彈塑性變形區(qū)及鉛直應(yīng)力的分布如圖2所示，隨著與采空區(qū)邊緣之間距離x的增大，按負(fù)指數(shù)曲線關(guān)系衰減。在高應(yīng)力作用下，從煤體（煤柱）邊緣到深部，都會(huì)出現(xiàn)塑性區(qū)（靠采空區(qū)側(cè)應(yīng)力低于原巖應(yīng)力的部分稱為破裂區(qū)）、彈性區(qū)及原巖應(yīng)力區(qū)。煤柱（體）的承載能力，隨著遠(yuǎn)離煤體（煤柱）邊緣而明顯增長。在距煤體（煤柱）邊緣一定寬度內(nèi)，存在著煤柱（體）的承載能力與支承壓力處于極限平衡狀態(tài)，運(yùn)用巖體的極限平衡理論，塑性區(qū)的寬度，即支承壓力峰值與煤柱邊緣之間的距離x0為：

圖2 煤柱（體）的彈塑性變形區(qū)及鉛直應(yīng)力分布

在同忻礦生產(chǎn)實(shí)際中，x0的變化范圍為3 m～20 m，一般為5 m～12 m。應(yīng)力降低區(qū)寬度的變化范圍為2 m～7 m，一般為3 m～5 m。因此使用窄煤柱進(jìn)行沿空掘巷，此時(shí)臨空順槽較寬煤柱而言，壓力比寬煤柱小。

2 大小煤柱掘進(jìn)期間的臨空巷礦壓比較

2.1 大煤柱在掘進(jìn)期間臨空巷的礦壓顯現(xiàn)

同忻礦二盤區(qū)8203 工作面回采期間，開始掘進(jìn)8202 工作面的兩順槽，臨空巷是5202 巷，5202 巷掘進(jìn)未與8203工作面回采交匯前沒有壓力，交匯時(shí)為了防止壓力顯現(xiàn)，在5202 巷支設(shè)了兩排木帶帽點(diǎn)柱，共支設(shè)120 根。交匯后臨空壓力顯現(xiàn)明顯，5202 巷中多處底鼓，影響行車和皮帶運(yùn)輸，為此進(jìn)行了多次小范圍處理底鼓措施。8202 工作面形成后，待采期間，臨空壓力對5202 運(yùn)料巷的影響巨大，造成幾乎整條巷道底鼓、頂板下沉量大、大量錨索和錨桿斷裂，具體現(xiàn)場示意圖如圖3所示。

圖3 大煤柱掘進(jìn)待采期間強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)

由此在開采掘進(jìn)期間造成巨大經(jīng)濟(jì)損失，具體數(shù)據(jù)為：5202 運(yùn)料巷底鼓嚴(yán)重，其中：600 m～760 m 底鼓30 cm；780 m～1 840 m 底鼓50 cm；1 900 m～2 300 m 底鼓70 cm。重新維修時(shí)打底的費(fèi)用總計(jì)167.75 萬元。錨索斷裂320根，補(bǔ)打錨索費(fèi)用為25.6萬元；錨桿斷裂1 500根，補(bǔ)打錨桿費(fèi)用22.5萬元；合計(jì)215.85萬元。

2.2 小煤柱在掘進(jìn)期間臨空巷的礦壓顯現(xiàn)

同忻礦8102工作面相鄰的8101工作面和8103工作面分別在2010年和2011年開采完畢。8102工作面兩順槽在2018年9月份開始掘進(jìn)，到2019年7月份圈出工作面，結(jié)果顯示礦壓對臨空巷道的壓力很小。在掘進(jìn)期間，無論從施工人員實(shí)踐反映或頂板離層儀的顯示中，以及技術(shù)人員的觀測中，均沒有礦壓加大或礦壓顯現(xiàn)相對于大煤柱減小。小煤柱掘進(jìn)待采期間的礦壓顯現(xiàn)如圖4所示，小煤柱掘巷經(jīng)濟(jì)效益顯著。

圖4 小煤柱掘進(jìn)待采期間的礦壓顯現(xiàn)

3 不同煤柱設(shè)置對綜放工作面開采的影響

大煤柱8309 綜放工作面從切眼至1 485 m 段，臨空巷未進(jìn)入8307采空區(qū)影響段，臨空巷的支護(hù)方式采用門式支架進(jìn)行支護(hù)，巷道變形基本沒有。當(dāng)8309工作面進(jìn)入采空區(qū)影響段124 m 時(shí)，臨空巷壓力顯現(xiàn)明顯，尾巷門式支架出現(xiàn)彎曲變形，支護(hù)方式變?yōu)閮膳拍径?單體支柱的支護(hù)方式，同時(shí)巷道變形仍然嚴(yán)重，臨空順槽從采位2 180 m～2 300 m 范圍內(nèi)的單體柱被打倒、打斷、打變形的共計(jì)121根?，F(xiàn)場示意見圖5。

圖5 木垛+單體補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)后出現(xiàn)的強(qiáng)礦壓

8305小煤柱工作面切眼就在8307采空區(qū)內(nèi)，自開采尾巷就采用單體和木垛進(jìn)行支護(hù)，當(dāng)時(shí)巷道變形不嚴(yán)重，不影響巷道的通風(fēng)和行人，未出現(xiàn)尾閉口合住和影響通風(fēng)的情況。具體現(xiàn)場巷道變形及支護(hù)見圖6。

圖6 小煤柱開采臨空巷的變形情況

8309 工作面38 m 煤柱臨空順槽和8305 工作面6 m 小煤柱臨空順槽在回采期間，巷道頂?shù)装逡平亢拖锏纼蓭偷囊平浚唧w如圖7、圖8所示。

圖7 寬煤柱和窄煤柱巷道頂?shù)装遄冃瘟拷y(tǒng)計(jì)

圖8 寬煤柱和窄煤柱巷道兩幫變形量統(tǒng)計(jì)

通過頂?shù)装逡平亢蛢蓭鸵平康淖兓€圖，可以明顯看出，采用6 m 小煤柱護(hù)巷和使用38 m 煤柱護(hù)巷，小煤柱對減少頂?shù)装遄冃魏蛢蓭妥冃斡泻艽蟮膬?yōu)勢，對工作面安全高效開采起到了關(guān)鍵作用。

4 煤炭資源損失分析

若按工作面間隔38 m煤柱留設(shè)，3-5#層煤可布置工作面共50個(gè)，8#層60個(gè)。經(jīng)過對每一個(gè)工作面可采出煤量的計(jì)算，3-5#層大約可采出煤量43 445萬t，8#層大約可采出煤量8 108 萬t，共計(jì)大約可采出煤量51 553萬t。實(shí)行小煤柱后，按照工作面間煤柱間隔6 m，3-5#層可布置工作面共58個(gè)，8#層65個(gè)。經(jīng)過對每一個(gè)工作面可采出煤量的計(jì)算，3-5#層大約可采出煤量47 768 萬t。8#層可采出煤量9 800 萬t，共計(jì)大約可采出煤量57 568萬t，實(shí)行小煤柱開采比大煤柱開采能多采出6 015萬t。按照同忻礦現(xiàn)有的洗出比0.665 3，精煤價(jià)錢500元/t，可多出的經(jīng)濟(jì)效益為200.089億元。

5 結(jié)論

通過以上分析，可看出留設(shè)小煤柱沿空掘巷在緩解頂板壓力方面存在的顯著優(yōu)勢，經(jīng)濟(jì)效益明顯，可得到以下結(jié)論：

（1）采用小煤柱沿空掘巷技術(shù)，在掘進(jìn)臨空巷時(shí)的礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)度明顯降低，相應(yīng)的巷道維護(hù)費(fèi)用大量減少，經(jīng)濟(jì)效益凸顯。工作面開采時(shí)的頂板壓力也明顯減弱，減少了安全隱患。

（2）同忻礦井田工作面均采用小煤柱開采后，煤炭損失降低，礦井服務(wù)年限提高，可多創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益200.089億元，礦井服務(wù)年限增加4年。

（3）但小煤柱沿空掘巷時(shí)，要考慮鄰近工作面的開采后的穩(wěn)定時(shí)間，相隔時(shí)間越長，效果越明顯，在進(jìn)行礦井銜接時(shí)要加以考慮，否則可能帶來更大的安全隱患。