急傾斜煤層上下山保護煤柱留設探討

王業常 萬恒州

（福興集團有限公司，山東 棗莊 277316）

福興煤礦位于山東省韓臺煤田中偏西部，現主采煤層為2、3 層煤，由于受區域推覆構造影響，平均傾角在50 °以上。如何合理留設巷道保護煤柱，減少壓煤量，是當前礦井急需解決的問題，否則礦井采區、工作面走向長度將大大縮短，從而造成礦井接續失調，給安全生產帶來極大隱患。

1 -750 m 運輸上下山與煤層關系

保護煤柱設計方法有兩種：垂直剖面法和垂線法。地表或地下構筑物的保護邊界平行或垂直于煤層走向時采用垂直剖面法，斜交時則采用垂線法。本次設計的-750 m 運輸上、下山均與相應區域煤層走向斜交，故選用垂線法。

在垂線法設計保護煤柱過程中，根據參數需要，沿-750 m 運輸上、下山延伸方向作相對于2#煤和3#煤的剖面，從而就能直觀確定其開采影響范圍。

2 保護煤柱留設原則

根據巷道與回采空間相對位置及采掘時間關系的不同，巷道位置可以分為本煤層巷道（圖1）、頂板巷道（圖2）和底板巷道（圖3）。為保護此三種類型的巷道不受回采影響，或減小回采對其圍巖穩定性的影響，一般采用以下原則。

（1）本煤層巷道采用護巷煤柱保護上下山，如圖1 所示。

圖1 本煤層巷道護巷煤柱

（2）目前，我國主要采用護巷煤柱保護頂板巷道，如圖2 所示。圖中，γ、β、δ 為巖層移動角，x0為巷道一側保護帶寬度，一般不小于20 m。

（3）底板巷道一般采取跨采方式保護，如圖3所示。雖然跨采期間巷道變形較大，但跨采后，巷道位于應力降低區，有利于巷道的長期穩定。當巷道與煤層垂直距離較近，不能控制跨采期間的巷道破壞，這時需采用護巷煤柱進行保護，如圖5 所示。目前我國跨采護巷案例中，跨采煤層與底板巷道最近距離是4.9 m，應用于棗礦集團陶莊礦的-420 m主運輸大巷。

圖 2 保護煤柱維護頂板巷道

圖3 底板巷道留設保護煤柱

福興煤礦-750 m 運輸上、下山屬于穿煤層巷道，與煤層的層位關系包括了本層、頂板和底板所有三種情況。

根據前面分析，-750 m 運輸上、下山巷道位于頂板和煤層內時，應采用護巷煤柱進行保護，位于底板時，應考慮跨采進行保護。

根據圖1 的剖析（偽斜剖）結果，-750 m 運輸上山在2#煤底板的最大距離約27 m，在3#煤底板的最大距離約15 m；-750 m 運輸下山巷道在2#煤底板的最大距離約22.6 m，在3#煤底板的最大距離約11.8 m。根據國內已有經驗，當距離大于5 m 時，可以考慮跨采進行保護。

采用跨采保護-750 m 運輸上、下山，尚存在以下問題：（1）被保護巷道附近煤層傾角較大，特別是-750 m 運輸上山附近煤層為平均傾角約45°的急傾斜煤層，底板巷道穩定性會受到跨采后采空區底板移動變形的影響。傾角較大時，巷道甚至受到采空區底板垮落的威脅，如圖4 所示（圖中λ 為底板巖層移動角）；（2）為保證大傾角煤層中回采巷道穩定，回采工作面間留有較大的區段保護煤柱，煤柱寬度一般在10 m 以上。采用跨采護巷時，上、下山不僅沒有處于采空區的應力降低區內，反而要長期受區段煤柱上高度集中的支承壓力影響。因此，-750 m 運輸上、下山并不適合采用跨采方式進行保護。

綜合以上分析，-750 m 運輸上、下山在全長范圍內均采用護巷煤柱進行保護。

圖4 急傾斜煤層采空區對底板巷道穩定性影響

3 -750 m 運輸上下山護巷煤柱寬度

-750 m 運輸上下山護巷煤柱設計，主要設計其在2#煤和3#煤中保留煤柱的寬度，或工作面停采線的位置。

3.1 頂板與煤層段煤柱

參照《煤礦特殊開采方法》l 按下式確定：

式中：HA為巷道與煤層間垂直距離，m；γ′為巷道的偽傾斜下山移動角，（°）；θ 為巷道與煤層走向夾角，（°）；α 為煤層傾角，（°）；x0為圖4 中巷道保護帶寬度，取20 m。其中，cotγ′按下式計算：

式中：γ 為上山移動角，（°）；δ 為走向移動角，（°）。根據棗莊礦區觀測結果，γ 和δ 均取76°。

（1）-750 m 運輸上山

根據采掘工程平面圖測算結果，在-750 m 運輸上山附近，2#煤和3#煤傾角平均取45°，-750 m運輸上山與2#煤和3#煤走向的夾角平均為22°。

根據剖面作圖，-750 m 運輸上山在頂板內時，巷道與煤層間距近似線性變化，上端變坡點位置與2#煤和3#煤的距離最大，分別為16 m 和35 m。此時 -750 m 運輸上山在2#煤內保護煤柱寬度為：l上-2煤=25.2 m；在3#煤內保護煤柱寬度為：l上-3煤=31.4 m。

當-750 m 運輸上山位于煤層中時，即為公式（1）中HA為0 的情況，此時，2#煤與3#煤內保護煤柱寬均取x0，為20 m。

由此可見，-750 m 運輸上山在煤層以上（包括煤層）時，2#煤和3#煤內保護煤柱為一上寬下窄的梯形。

（2）-750 m 運輸下山

-750 m 運輸下山全長位于2#煤底板內，并且由頂板向底板穿過3 煤。根據采掘工程平面圖測算，-750 m 運輸下山處3#煤傾角平均取38°，-750 m 運輸下山與3#煤走向的夾角平均為16°。

根據剖面作圖，-750 m 運輸下山在3#煤頂板內時，其上端變坡點和3#煤間的距離最大為3.4 m。此時 -750 m 運輸下山在3#煤內保護煤柱寬度為，l下-3 煤=21.0 m。

當-750 m 運輸下山位于煤層中時，即為公式（1）中HA為0 的情況，此時，3#煤內保護煤柱寬均取x0，為20 m。

-750 m 運輸下山在3#煤層以上（包括煤層）時，保護煤柱為一上寬下窄的梯形。

3.2 底板段煤柱

底板巷道保護煤柱留設主要考慮開采后應力在底板的分布。底板中除垂直應力外，剪應力、水平應力也是影響巷道礦壓顯現的重要因素。依據數值計算、相似模擬試驗和現場實測等多方面分析研究，在煤體與采空區交界地區，采動引起的底板巖層應力分為以下區域：原巖應力區、應力集中區、剪切滑移區、卸壓區、應力恢復區、拉伸破裂區。跨采時巷道最終應處于卸壓區，而留煤柱進行保護時則應處于原巖應力區，則保護煤柱寬度為：

式中：α 為應力傳播角度，一般取70°；HA為巷道距煤層垂直距離，m；x0為保護帶寬度，按煤層內巷道保護煤柱寬度取值，一般取20 m。

（1）-750 m 運輸上山

-750 m 運輸上山在底板內時，最下端變坡點位置與2#煤和3#煤的距離最大，分別為27 m 和15 m。此時 -750 m 運輸上山在2 煤內保護煤柱寬度為:l '上-2煤=29.8 m；-750 m 運輸上山在3#煤內保護煤柱寬度為：l '上-3煤=25.5 m。

當-750 m 運輸上山位于煤層中時，即為公式（3）中HA為0 的情況，此時，2#煤與3#煤內保護煤柱寬均取x0，為20 m。

由此可見，-750 m 運輸上山在煤層下部時（包括煤層），2#煤和3#煤內保護煤柱為一上窄下寬的梯形。

（2）-750 m 運輸下山

-750 m 運輸下山完全布置在2#煤底板內，其在測點及下端煤倉處距2#煤距離分別為：10 m、9.6 m、10.9 m、15.2 m、18.7 m 和22.6 m。根據公式（3），各點處相應的煤柱寬度為：23.6 m、23.5 m、24.0 m、25.5 m、26.8 m 和28.2 m。-750 m 運輸下山在2#煤內煤柱由以上各參數分段標定，基本呈上窄下寬狀。

-750 m 運輸下山在F3 測點附近穿過3#煤層，F3 測點以下位于3#煤底板內，與3#煤間距近似線性變化，最下端煤倉處距離最大，為11.8 m。則-750 m運輸下山在3#煤底板的保護煤柱呈上窄下寬的梯形：最上端在煤層中，即為公式（3）中HA為0 的情況，此時3#煤內保護煤柱寬均取x0，為20 m；最下端煤倉處煤柱寬度由公式（3）得24.3 m。

3.3 -750 m 運輸上下山保護煤柱確定

根據前面分析，考慮施工與管理方便，煤柱寬度采取均一化處理，即按理論寬度的最大值留設等寬的保護煤柱。對理論值進行圓整修正后，-750 m運輸上山在2#煤與3#煤內的保護煤柱寬度分別為30 m 和32 m，-750 m 運輸下山在2#煤與3#煤內的保護煤柱寬度分別為29 m 和25 m，如圖5 所示。

圖5 -750 m 運輸上山設計最終保護煤柱

4 結論

通過對福興煤礦-750 m 水平上、下山煤柱進行理論計算和現場實踐，最終確定了合理煤柱寬度。這樣直接釋放了壓煤近40 多萬噸，減少了資源量浪費的同時緩解了礦井接續緊張局面，延長了工作面服務年限13 個月，對于類似的急傾斜煤層礦井如何合理選擇煤柱計算方法提供了參考，也為同類型礦井開拓開采的布置起到了很好的實例借鑒作用。