特厚煤層大小煤柱綜放工作面實施效果分析

鈕紅亮

(晉能控股煤業(yè)集團(tuán)，山西 大同 037003)

大同礦區(qū)特大型礦井現(xiàn)主采煤層均為石炭系3～5號層，煤層平均厚度14.7 m，開采工藝為一次采全厚綜采放頂煤工藝，以往工作面間煤柱均在20～40 m之間，屬于大煤柱。但在開采過程中，臨空巷壓力顯現(xiàn)嚴(yán)重，頂板下沉、兩幫移近、底鼓、超前支護(hù)壓彎壓斷乃至出現(xiàn)合口現(xiàn)象，使得安全出口不暢通、人員通過困難、通風(fēng)阻力加大、通風(fēng)量不足、安全沒有保證[1-3]。文章以同忻礦為例，通過分析實施小煤柱沿空掘巷技術(shù)和大煤柱沿空掘巷技術(shù)后，臨空巷道的礦壓顯現(xiàn)，彰顯出留設(shè)小煤柱的比較優(yōu)勢。

1 工程概況

同忻礦3～5號層三盤區(qū)已開采3個放頂煤工作面，具體布置見圖1，其中8307工作面為首采工作面。受地面村莊保護(hù)煤柱限制，工作面在布置時走向長度不一，其中8309工作面走向長度2 885 m，8307工作面走向長度1 400 m，8305工作面走向長度1 007 m。8309工作面和8307工作面間留設(shè)38 m的大煤柱，8305工作面和8307工作面間留設(shè)6 m的小煤柱。

圖1 三盤區(qū)工作面布置示意

2 大小煤柱臨空巷掘進(jìn)期間礦壓比較

2.1 大煤柱臨空巷掘進(jìn)和待采期間的礦壓顯現(xiàn)

在8307工作面回采期間，開始掘進(jìn)8309工作面兩巷道，臨空巷是回風(fēng)巷。未與8307工作面回采交匯前，回風(fēng)巷沒有壓力，交匯時為了防止壓力顯現(xiàn)，在回風(fēng)巷支設(shè)了兩排木帶帽點柱，共支設(shè)120根；與8307采空區(qū)交匯后，臨空壓力顯現(xiàn)明顯，回風(fēng)巷多處底鼓，影響行車運料，影響設(shè)備穩(wěn)裝運輸。8309工作面圈出后，在待采期間，8307采空區(qū)對臨空巷影響巨大，幾乎造成整條巷道底鼓、頂板下沉、兩幫變形、大量錨索和錨桿斷裂，具體現(xiàn)場見圖2。

圖2 大煤柱掘進(jìn)待采期間臨空巷礦壓顯現(xiàn)

2.2 小煤柱臨空巷掘進(jìn)待采期間的礦壓顯現(xiàn)

8305工作面和8307工作面間留設(shè)6 m的小煤柱，回風(fēng)巷臨空。在掘進(jìn)期間，頂板離層儀數(shù)據(jù)顯示以及技術(shù)人員的觀測中，均沒有礦壓顯現(xiàn)，相比大煤柱而言，礦壓顯現(xiàn)要小很多。工作面圈出以后臨空巷在待采期間礦壓顯現(xiàn)也較小，沒有明顯的頂板下沉，兩幫位移情況。底板底鼓僅發(fā)生在臨空巷里程220～420 m之間共計200 m的地段，而且底鼓不嚴(yán)重，還可以行車，小煤柱臨空巷掘進(jìn)待采期間的礦壓顯現(xiàn)如圖3所示。

3 大小煤柱開采時工作面的礦壓影響

3.1 8309大煤柱工作面臨空巷的礦壓顯現(xiàn)

8309工作面從切眼至1 485 m段，為兩邊實煤區(qū)，此時8309回風(fēng)巷未進(jìn)入8307采空區(qū)影響段，回風(fēng)巷的支護(hù)方式采用門式支架進(jìn)行支護(hù)，如圖4所示，巷道變形基本沒有。當(dāng)8309工作面進(jìn)入8307采空區(qū)124 m范圍時，臨空巷壓力顯現(xiàn)，回風(fēng)巷門式支架出現(xiàn)彎曲變形，使用困難，如圖5所示。

圖3 小煤柱掘進(jìn)待采期間的礦壓顯現(xiàn)

圖4 5309巷未進(jìn)入8307采空區(qū)影響段之前超前支護(hù)段巷道變形情況實拍

圖5 進(jìn)入采空區(qū)影響段124 m超前支護(hù)段巷道變形情況實拍

當(dāng)8309工作面進(jìn)入采空區(qū)影響范圍231 m，門式支架不再使用，變更臨空巷的支護(hù)方式，采用兩排木垛+單體支柱的支護(hù)方式。在8309工作面推進(jìn)至采位2 170 m，此時回風(fēng)巷進(jìn)入采空區(qū)影響范圍為685 m，礦壓顯現(xiàn)更加明顯，主要表現(xiàn)為：從8309工作面采位2 180～2 300 m，這120 m范圍內(nèi)的單體柱打倒、打斷、打變形的共計121根。具體現(xiàn)場情況如圖6所示。

圖6 木垛+單體補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)后出現(xiàn)的強(qiáng)礦壓

3.2 8305小煤柱工作面臨空巷的礦壓顯現(xiàn)

8305工作面切眼就在8307采空區(qū)影響范圍內(nèi)，自開采臨空巷就采用單體木垛支護(hù)。具體如圖7所示。

8305工作面整個開采過程中安全出口一直保持暢通，頂?shù)装遄冃瘟亢蛢蓭妥冃瘟烤淮?，未影響通風(fēng)和行人，未出現(xiàn)尾安全出口合住的情況，單體和木垛均未損壞，回撤后能夠繼續(xù)使用，能夠節(jié)省大量的維護(hù)費用。

分別比較8309工作面留設(shè)38 m大煤柱時，臨空巷道在回采期間的變形情況和8305工作面留設(shè)6 m小煤柱時，臨空巷道在回采期間的變形情況。大小煤柱回采時，臨空巷頂?shù)装遄冃瘟咳鐖D8所示，巷道兩幫的變形量如圖9所示。

圖7 小煤柱開采臨空巷的變形情況

圖8 大小煤柱開采時巷道頂?shù)装遄冃瘟拷y(tǒng)計

圖9 大小煤柱開采時巷道兩幫變形量統(tǒng)計

從圖8和圖9可以明顯看出，采用6 m小煤柱護(hù)巷比38 m大煤柱護(hù)巷，更能緩解兩幫和頂?shù)鬃冃?，對工作面安全高效開采起到了關(guān)鍵作用。

3.3 大小煤柱開采周期來壓及強(qiáng)度比較

8309工作面自開采至結(jié)束，共來壓70次，平均來壓步距38.78 m，最大來壓步距為74 m，最小來壓步距為22.15 m；8305工作面自開采至結(jié)束，共來壓43次，平均周期來壓步距28.84 m，最大周期來壓步距為44.9 m，最小周期來壓步距為20.9 m。由此可知，沿空掘巷小煤柱開采比大煤柱開采來壓步距短、來壓強(qiáng)度弱、來壓范圍小，說明小煤柱沿空掘巷對緩解頂板來壓強(qiáng)度有一定的作用。尾安全出口暢通，保證了行人通道，滿足了工作面通風(fēng)需求。

4 經(jīng)濟(jì)效益分析

4.1 維護(hù)費用比較

4.1.1 待采期間維護(hù)費用

8309工作面回風(fēng)巷在掘進(jìn)待采期間變形嚴(yán)重，維護(hù)費用高。底鼓并重新起底的范圍：里程600～760 m，底鼓30 cm；780～1 840 m,底鼓50 cm；1 900～2 300 m，底鼓70 cm。對這些地段進(jìn)行了重新起底，當(dāng)時起底的費用為1 100元/m。起底總費用為167.75萬元。錨索斷裂320根，補(bǔ)打錨索費用為25.6萬元；錨桿斷裂1 500根，補(bǔ)打錨桿費用為22.5萬元；合計為215.85萬元。而8305工作面回風(fēng)巷錨索錨桿沒有斷裂發(fā)生，僅在底板底鼓地段打底硬化所需費用為27.5萬元。比較上述在維護(hù)巷道方面投入的經(jīng)濟(jì)成本，僅8309回風(fēng)巷在待采期間的維護(hù)成本就比8305回風(fēng)巷維護(hù)成本高出188.35萬元。

4.1.2 回采期間維護(hù)費用

8309大煤柱工作面臨空巷自1 485 m進(jìn)入8307采空區(qū)影響段，到停采結(jié)束，共起底米數(shù)為580 m；損壞2 m的道木數(shù)共計2 670根；1 m的道木數(shù)共計4 272根；打斷打折損壞的單體柱共計178根。8305小煤柱工作面自開采至停采結(jié)束，未出現(xiàn)底鼓顯現(xiàn)；未出現(xiàn)損壞的單體柱，尾巷支設(shè)的單體柱和道木能夠全部回收再利用。起底的費用為1 100元/m，2 m的道木單價為280元，1 m的道木單價為140元，每根單體柱價格為1 300元?？捎嬎?309大煤柱臨空巷的維護(hù)材料費用為221.51萬元，8305小煤柱維護(hù)材料費用為0元，小煤柱開采比大煤柱開采節(jié)約費用221.51萬元。

4.2 服務(wù)年限比較

以同忻礦現(xiàn)階段生產(chǎn)銜接為例，推廣小煤柱后，工作面按間隔6 m留設(shè)煤柱比間隔38 m留設(shè)煤柱，3～5號層可多采出煤炭約5 500萬t，8號層可多采出煤炭約2 000萬t，共計可多采出煤炭資源約7 500萬t。服務(wù)年限可延長5 a，按照當(dāng)前的煤炭價格，可多創(chuàng)造產(chǎn)值約300億元。

5 結(jié) 語

1) 在掘進(jìn)以及待采期間小煤柱臨空巷壓力顯現(xiàn)明顯減弱，較好地緩解了巷道兩幫和頂?shù)鬃冃危?/p>

2) 在回采過程中，小煤柱開采比大煤柱開采來壓步距短、來壓強(qiáng)度弱且來壓范圍小，對工作面安全高效開采起到了關(guān)鍵作用；

3) 小煤柱開采提高了礦井的資源回收率，延長了礦井的服務(wù)年限，可多采出煤炭資源約7 500萬t，服務(wù)年限可延長5 a，創(chuàng)造產(chǎn)值約300億元，經(jīng)濟(jì)和社會效益顯著。