杭來灣煤礦保護煤柱優化設計研究

韓鑫儒

(陜西有色榆林煤業有限公司，陜西 榆林 719000)

0 引言

目前《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規范》是保護煤柱計算和設計的主要依據[1]，由于大部分礦井缺少本礦井的相關巖移參數，對保護煤柱計算參數只能取參考值，這些參數與煤層頂底板巖性、埋藏深度、厚度、傾角、開采方法、采厚、和圍巖穩定性等諸多因素有關[2]，不同礦井地質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直接影響煤炭資源的合理開采和利用、礦井的可持續發展、生產服務年限、工作面搬家周期、采掘接續計劃和單面煤炭采出量，對礦井經濟效益的影響尤為明顯[7-8]，保護煤柱的設計在考慮安全性的同時還應當兼顧合理性。因此，礦井應結合實際開采情況，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)筑物產生破壞影響[10-12]。

文中以杭來灣煤礦為研究對象，根據以往工作面回采對地表建(構)筑物的影響程度和周邊煤礦開采地表沉陷規律，對敬天陵園保護煤柱的合理留設問題進行分析，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尺寸和工作面切眼位置設計方案。

1 研究實例

敬天陵園位于杭來灣井田301盤區30109工作面和30110工作面切眼上部，受整體搬遷費用高、難度大、協調困難等因素影響，計劃在陵園范圍留設保護煤柱，并改變原30109工作面和30110工作面切眼位置。陵園內主要保護對象為硬化的水泥路和一座高度約10 m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，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計原則。

2 回采工作面地表沉降規律

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工作面成組布設觀測線，根據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、下沉系數等相關巖移參數，為礦井保護煤柱的留設提供了重要依據。

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的最大影響范圍約為145 m。但根據實際沉降量來看，工作面順槽60 m范圍外，如圖1所示，地表累計下沉量小于50 mm，地表傾斜變形i最大=2.85 mm/m<10 mm/m，高度20 m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生的影響基本可以忽略不計。

圖1 30101工作面地表沉降剖面Fig.1 Ground settlement profile of 30101 working face

因此，可以認為回采工作面順槽以外60 m產生的沉降與開采沒有直接聯系，工作面開采在順槽外最大影響范圍為60 m，這一數值也可以作為保護煤柱留設的參考值。

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與壓煤開采規范》中給出的計算公式，計算出的保護煤柱寬度約為120 m，設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108 m，最短距離為95 m，30108工作面煤柱距離陵園保護邊界的煤柱最小寬度為56 m，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工作面也需要調整切眼的位置，否則無法正?；夭?。

圖2 保護煤柱范圍與30108工作面位置關系Fig.2 Relationship between the range of protective coal pillar and the position of 30108 working face

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56 m的情況下，未對陵園產生直接影響，該寬度可以作為保護煤柱設計的參考。

4 周邊礦井沉降影響

雙山煤礦與杭來灣井田303盤區東翼東南邊界相鄰，該礦井在杭來灣井田邊界外40 m，沿井田邊界布置有一個綜放工作面，工作面長度2 504 m，寬度266 m，采用綜采放頂煤的開采方法，平均采高約為9.0 m，全部垮落法管理頂板。

根據井田邊界裂縫觀測結果，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，形成的水平裂縫距杭來灣井田邊界的最近距離為18 m，未在杭來灣井田范圍內發現較大的裂縫。

圖3 雙山煤礦地表沉陷示意Fig.3 Surface subsidence diagram of Shuangshan coal mine

因此，在井田邊界保護煤柱寬度為40 m的情況下，雙山煤礦綜放開采未在杭來灣井田內形成裂縫。由此可見，保護煤柱寬度為40 m的情況下，開采未在杭來灣井田范圍內產生塌陷裂縫。

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62 m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60 m范圍，地表的沉陷基本穩定，可見開采不會對工作面順槽60 m以外的范圍產生影響；同時井田邊界保護煤柱寬度為40 m的情況下，雙山煤礦綜放開采未在杭來灣井田內產生塌陷裂縫。

綜上所述，礦井設計的保護煤柱(120 m)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30～60 m之間，從而達到既保證資源回收最大化，又實現安全回采的目的。

5.2 對比評價

根據設計保護煤柱(寬度145 m)和建議保護煤柱(寬度70 m)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。

表1 設計邊界和建議邊界損失長度與資源量對比Table 1 Comparison of loss resources between designed boundary and recommended boundary

對比和分析設計煤柱和建議煤柱對30109和30110工作面的影響結果顯示：建議煤柱和設計煤柱相比，30109工作面和30110工作面長度分別增加了70 m和72 m，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，工作面整體增加產值將超億元。

6 結論

(1)目前設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120 m)，造成了較多的資源浪費，可以考慮將保護煤柱寬度控制在60 m的范圍內，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56 m)是安全合理的。

(3)與原設計煤柱相比，將保護煤柱寬度設為70 m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，累計增加產值上億元，有效地提高了礦井整體效益。