深部開采保護煤柱的設計方法

侯甲

摘要：經過幾十年的發展，我國的煤礦開采正在從動密集型向資本密集型、技術密集型轉變。綠色開采、急傾斜、大傾角煤層開采、智能化開采、深部開采將成為未來煤礦開采的必然趨勢，地表和淺層的資源越來越少了，勢必要向深部發展才能繼續發揮產能。保護煤柱是指專門留在井下不予采出的，旨在保護其上方巖層內部和地表的保護對象不受開采影響的那部分煤炭。本研究主要分析了目前深部開采所存在的問題，并就保護煤柱的設計提出自己的淺見。

關鍵詞：深部開采；保護煤柱；設計

0 引言

保護煤柱是指專門留在井下不予采出的、為了保護其上方巖層內部和地表的保護對象不受開采影響的那部分煤柱。目前深部開采保護煤柱的設計主要有幾個難點，比如控制地壓，保障通風排水要求，降低礦石、物料等提升成本等。設計者必須切實考慮地表移動變形規律，在煤層上圈定保護煤柱的邊界，避開該邊界進行開采。因此，為了保護結構物免受地下開采影響和盡量減少煤炭資源損失，就要設置合理可靠的保護煤柱。

1 目前深度開采的技術難點

1.1 維持結構穩定性

隨著淺部煤炭資源的逐漸減少甚至枯竭，地下開采的深度越來越大，煤炭開采不得不向著深度開采方向發展，煤炭深部開采的界限一般指700-1 000m。目前國內外許多煤礦都相繼進入深部資源開采狀態，隨著煤炭需求量的增加和開采強度的不斷加大，建筑物深部壓煤開采問題將越來越突出，但是煤礦進入一定的開采深度，由于埋深增加，僅就煤巖周邊垂直應力說來，面臨著高地應力、高地溫、高滲透壓等問題，局部煤巖體介質達到塑性屈服限，變形隨時間增加或遇外界擾動因素作用可能出現緩慢變形破壞趨態和大失穩的綜合。所以在開采的過程中可能會出現巷道變形劇烈、礦壓劇烈、瓦斯高度聚積、突水事故幾率增大等災害事故。為避免二次支護和巷道維修，深部巷道應采用高預應力、強力錨桿組合支護，同時要求支護系統有足夠的延伸量與沖擊韌性，應盡量一次支護就能有效控制圍巖變形與破壞。隨著煤柱寬度的增加，煤柱內塑性區的范圍逐漸減小，當煤柱寬度超過20 m后，煤柱寬度對下區段順槽圍巖變形的影響為下區段順槽掘進及工作而回采期間，各項指標值基本不再有大的變化。

1.2 保障通風排水條件

隨著礦井開采強度的不斷增大，井下局扇功率越來越大，局扇對整個礦井通風狀態的影響不能忽視，這要求仿真系統能夠模擬在井下任意巷道安設風機、拆除風機、調整風機葉片角度等功能。礦井局扇不得停風，值班礦領導及通風技術員應做好礦井通風、瓦斯檢查、排水、防火、防盜等管理工作，井下通風排水人員入井時，由地面入井檢身值班人員負責檢身登記后同意方能入井，各井口必須派專人進行24小時值班看守，防止無關人員進入。煤礦開采會造成地表沉降，為了防治和減輕這一問題，一般采用充填開采、部分開采和離層帶注漿等措施減少井下采空體積，為了防止斷層導水通道在高壓奧灰水的沖刷下，進一步增大，導致礦井發生水害災變，同時為了防止斷層導水通道在高壓奧灰水的作用下對即將掘進的工作面造成突水，應圍繞煤層區段巷道保護煤柱、工作面騎跨采下部巷道合理位置及支護方式進行斷層帶上、下盤防水煤柱寬度計算。還應該采用礦井通風模擬軟件組合，幫助地下礦井設計，改進和優化其通風系統，借助先進的技術手段，解決國內礦山行業通風系統調整方案預模擬，合理性分析及方案優選、火災模擬、污染物擴散模擬、通風系統經濟性分析等方面，輔助企業進行通風系統管理及中長期規劃。

2 如何合理設計保護煤柱

2.1 建立精確的數學模型

為了提高保護煤柱設計的效率和精度，必須事先建立起精確的數學模型，包括移動角的選取，維護帶的設計，受護邊界以及松散層保護邊界的確定都要經過詳細的計算和校正。過去保護煤柱的設計主要靠手工計算和手工作圖，效率低、精度差，對地質和采礦方而的因素考慮也不夠全而，不能提供高質量的圖紙。隨著深度增加，巖爆、沖擊地壓、瓦斯爆炸等突變呈非線性增長，沖擊礦壓發生的頻率、強度和規模會隨之上升，瓦斯含量和瓦斯壓力增加，如果沒有充分考慮實際情況而倉促確定開采方案，極易出現重大安全事故。保護煤柱的移動角指的是在充分采動或接近充分采動條件下，主斷層面上臨界變形值的點和開采邊界的連線與水平線在煤柱一側所夾的角，傾角較大時，較容易達到安全開采深度。同一礦區，基巖移動角是個定值，同一開采深度，基巖移動角越小，其備用尺寸寬度越大，二者呈指數關系。因此，在模型的建立過程中，不能把移動角作為定值，不同深度的生產礦井留設保護煤柱的備用尺寸差別很大，如果采用現有的一個恒定的淺部移動角值來確定保護煤柱的范圍，留下的煤柱過多，可能使煤柱尺寸偏大而浪費資源，會影響以后都地下工作和開采工作，不符合深部開采地表移動和變形規律?？紤]沿走向方向煤柱的各種變化特征，設計模型煤層底板厚度和煤層頂板厚度，考慮邊界效應及滿足推進過程中礦壓穩定距離的要求，采用軟化模型，用預計法來留設保護煤柱，根據保護建筑物的實際抗變形能力確定允許變形值，預算建筑物所處位置的變形值，從而確定保護煤柱的移動角。建立三維巷道模型，通過導入AutoCAD、Surpac等軟件的數據文件或巷道三維節點坐標數據文件生成，建立通風立體圖，實現三維模型數據的真三維可視化。

2.2 結合實際情況綜合考慮設計方案

深部煤炭資源開采量及開采程度取決于實際技術水平和礦工作業安全能力，深度開采的前提是要保障作業安全、經濟合理性、機械化程度，所以應結合實際情況，通過科技攻關、提高人員素質等措施，綜合設計施工方案?？茖W的巷道位置和一定寬度的保護煤柱是保證巷道穩定性的基礎和前提，由于上覆巖層壓力、巷道上方破碎巖體自重壓力，或其它地應力引起的垂直應力會產生巷道頂板下沉、底膨、上幫或下幫變形等情況。因此，應沿空巷道在不同階段的應力和變形特征確定不同條件下窄煤柱的合理寬度，防止在側壓力的作用下，支護拱頂起尖，錨噴巷道則出現拱頂巖石被擠碎成尖，兩幫擠進。要嚴密監測地下水位，設置防水煤柱，減輕地下水的下降速率，從而減輕地面沉降速率，采用科學的建筑地基回填技術，在設計建筑場地標高時應預留一定高度增強建筑場地的防洪能力，抵抗不均勻沉降，增強整體剛度和強度等，減輕礦坑疏干排水引起的地面沉降。注漿工程竣工后，開挖施工井底煤倉繞道，對整個注漿段剩余涌水量的實測統計，改善受注地層的水文地質和工程地質條件，避免淹井，保證巷道施工質量。同時監管部門要對材料的采購、驗收、賬目核算進行檢查，確保施工材料全面符合工程建設的要求，保證施工質量管理的環境，營造文明施工和安全生產的環境，保證施工承包單位的質量管理體系和質量控制自檢系統處于良好的狀態， 避免因設計方案考慮不周或施工工藝落后而造成施工進度的推遲。

3 結語

保護煤柱的尺寸寬度與基巖的移動角呈指數函數關系，而移動角的影響因素和礦區的地質采礦條件有關。因此，為了保護建筑物，又能獲得更多的煤炭資源，提高礦山的資源回收率，延長礦井的服務年限，應根據巖層與地表移動規律和采礦條件，建立預選函數和數學模型，算出巖層和地表的移動、變形，然后根據實際情況對模型做出校正和修改，最后確定實施方案。

參考文獻：

[1]陳俊杰，鄒友峰.深部開采條件下保護煤柱備用尺寸的確定方法[J].煤炭工程.？2005（07）.

[2]黃亞軍，郭媛.？淺埋近距煤層開采保護煤柱穩定性分析[J].陜西煤炭.2012（03）.

[3]柴華彬，王云廣，鄒友峰，張光勝.深部開采保護煤柱的設計方法[J].測繪科學.2011（05）.