華苑煤業(yè)10202孤島工作面小煤柱開采安全評價與分析

車鵬飛

（山西蘭花科技創(chuàng)業(yè)股份有限公司望云煤礦分公司，山西 高平048400）

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)日新月異發(fā)展，煤礦機械裝備水平的逐步提升，大幅度地提升了煤礦回采速度與產(chǎn)量，與此同時也會出現(xiàn)工作面銜接困難的現(xiàn)象；因此，為保證礦井正常銜接生產(chǎn)，防止相鄰工作面之間采動影響，許多礦井采用了采區(qū)工作面間的跳采方式解決回采銜接難題，然而隨之也產(chǎn)生了大量的孤島工作面。由于孤島工作面周圍圍巖均已受到采動影響，加之礦井地質(zhì)賦存條件往往較為復(fù)雜，這就給孤島工作面的安全生產(chǎn)帶來了極大影響，因此，對孤島工作面小煤柱開采進行安全評價與分析具有積極的實踐意義和現(xiàn)場指導(dǎo)作用。

1 孤島工作面概況

1.1 工作面基本情況

1）10號煤性質(zhì)及頂?shù)装鍘r性。煤層揭露煤厚為4.1~4.4 m；開拓范圍內(nèi)，煤厚變化不大，煤層結(jié)構(gòu)較簡單，含矸2~3層，夾矸厚度0.10~0.68 m，局部夾矸厚接近0.7 m；頂板為泥巖、砂質(zhì)泥巖，底板為泥巖、砂質(zhì)泥巖；煤層瓦斯含量最大值小于4 m3/t，不存在煤與瓦斯突出危險；瓦斯類型為簡單；水文地質(zhì)類型劃分為中等；為自燃煤層，具有煤塵爆炸危險性。

2）10號煤地質(zhì)構(gòu)造。根據(jù)煤層底板等高線分析，10202孤島工作面煤層整體呈單斜構(gòu)造，地層產(chǎn)狀平緩，傾角均小于15°。掘進過程中會遇到部分小型褶曲。

三維物探勘探出工作面范圍內(nèi)有1個斷層，為DF1正斷層，工作面內(nèi)總體地質(zhì)構(gòu)造為中等，受構(gòu)造的影響，工作面接近構(gòu)造附近可能存在伴生小斷層。預(yù)計10202膠帶順槽掘進到285 m處揭露SX17陷落柱，巷道揭露長度33 m，在500 m處揭露FS-6斷層，在1 109 m處揭露SX20陷落柱，巷道揭露長度為22 m，在1 144m處揭露SX21陷落柱，巷道揭露長度為15 m，在1 205 m處揭露SX22陷落柱，巷道揭露長度為24 m，在1 255 m處揭露FS-9斷層，在1 717 m處揭露FS-11斷層。10202軌道順槽在掘進到873 m處揭露FS-19斷層；掘進至1 933 m處揭露FS-34斷層。

3）10號煤工作面回采情況。工作面主要有膠帶順槽、軌道順槽和開切眼組成。10202工作面主要設(shè)備有：液壓支架（ZY6800/24/48）、采煤機（MG400/930-GWD）、刮板輸送機（SGZ800/1050）、轉(zhuǎn)載機（SZZ-800/250）、破碎機（PLM2000）和膠帶輸送機（DSJ100/65/2×200）。

1.2 小煤柱合理寬度計算

利用如圖1所示的極限平衡理論，對小煤柱合理留設(shè)寬度進行理論計算。

圖1 小煤柱寬度計算圖

根據(jù)圖1所示的極限平衡理論，小煤柱合理寬度的計算公式如式1所示：

式中：B為小煤柱合理寬度，m；x1為鄰近工作面開采后在煤體中產(chǎn)生的塑性區(qū)寬度，m，即為應(yīng)力極限平衡區(qū)寬度；x3為錨桿長度，取2.2 m；x2為考慮煤層厚度較大而增加的煤柱穩(wěn)定系數(shù)，可按（x1+x3）×（10%～30%）進行計算，考慮巷道經(jīng)受2次采動影響，煤柱穩(wěn)定性取系數(shù)最大值30%。

應(yīng)力極限平衡區(qū)寬度X0可由式（2）進行計算：

式中，m為煤層平均采厚，取4.23 m；A為側(cè)壓系數(shù)，A=μ/1-μ，泊松比μ=0.28，那么A=0.389；φ0為煤層界面的內(nèi)摩擦角，取30°；C0為煤層界面的黏結(jié)力，取3 MPa；K為應(yīng)力集中系數(shù)，取值5；γ為上覆巖層平均容重，取25 MN/m3；H為煤層埋深，取340 mm；Px為對煤幫的支護阻力，取0 MPa。

根據(jù)華苑煤業(yè)各項參數(shù)代入上述公式，計算得到：B=1.95+2.2+0.7=4.85 m。

2 安全評價法簡介

2.1 安全評價法簡介

安全評價法將定性與定量2個方面的分析結(jié)合起來，來分析評價工程項目的安全性。本文以華苑煤業(yè)開采狀況為基礎(chǔ)，對孤島工作面小煤柱開采的安全性進行評價分析，并針對工作面掘進與回采期間的各項危險因素提出相應(yīng)措施。工程項目危險、有害因素等級劃分表見表1。

表1 危險、有害因素等級劃分表

2.2 危險單元劃分

以華苑煤業(yè)10202孤島工作面掘進與回采期間的影響因素為基礎(chǔ)，綜合考慮生產(chǎn)工藝、巷道布置、機電裝備等特點，將安全評價單元劃分為水害、瓦斯及有害氣體、火災(zāi)、壓力等4個單元。

3 掘進期間危險因素分析與措施

3.1 掘進期間危險因素分析

1）水害單元。10202膠帶順槽掘進方向的右?guī)蜑?0201工作面采空區(qū)，10202軌道順槽掘進方向的左幫為10203工作面采空區(qū)，根據(jù)10201、10203工作面地質(zhì)原始記錄資料顯示，在10201膠帶順槽365～538 m、701～941m、1 102～1 232 m、1 323～1 651m存在4處可能積水區(qū)域。10203膠帶順槽開口處至188 m、1 040～1 258 m、1 309～1 830 m存在3處可能積水區(qū)域，煤柱留設(shè)6 m，在掘進期間施工錨桿（索）將有可能導(dǎo)水。

2）瓦斯及有害氣體單元。10202膠帶順槽掘進方向的右?guī)蜑?0201工作面采空區(qū)，10202軌道順槽掘進方向的左幫為10203工作面采空區(qū)，10號煤直接頂為砂質(zhì)泥巖，局部節(jié)理、裂隙發(fā)育，易冒落，采空區(qū)內(nèi)瓦斯及有害氣體可能會通過裂隙及地質(zhì)構(gòu)造進入掘進工作面。

3）火災(zāi)單元。10202膠帶順槽掘進方向的右?guī)蜑?0201工作面采空區(qū)，10202軌道順槽掘進方向的左幫為10203工作面采空區(qū)，10號煤直接頂為砂質(zhì)泥巖，局部節(jié)理、裂隙發(fā)育，易冒落，裂隙漏風(fēng)會造成鄰近采空區(qū)自然發(fā)火危險。

4）壓力單元。10202膠帶順槽掘進方向的右?guī)蜑?0201工作面采空區(qū)，10202軌道順槽掘進方向的左幫為10203工作面采空區(qū)，鄰近采空區(qū)布置掘進工作面，受采空區(qū)上覆巖層影響，在煤柱邊緣形成側(cè)向支承應(yīng)力，巷道周圍煤巖體容易出現(xiàn)大變形、頂板離層、片幫、冒頂?shù)痊F(xiàn)象。受地質(zhì)構(gòu)造影響9201、9203工作面都存在搬家甩構(gòu)造的情況，這些特殊區(qū)段可能存在頂板未完全垮落，在10202工作面兩順槽掘進過程中可能會受其影響出現(xiàn)大變形、頂板離層、片幫、冒頂?shù)痊F(xiàn)象。

3.2 掘進期間解決措施

1）水害單元。相鄰采空區(qū)情況，所有積水位置清楚，預(yù)計積水量不多，利用幫錨索注漿加固煤柱強度，起到擋水效果。針對7處可能積水區(qū)域超前30 m開始對采空區(qū)方向，在正常探水的基礎(chǔ)上，右?guī)驮黾?個鉆孔，終孔間距20 m，進行超前放水。工作面保證排水系統(tǒng)正常運轉(zhuǎn)，10202膠帶和軌道順槽安裝2趟排水管路，備用2臺水泵，2臺開關(guān)，并保證有1臺水泵隨時能夠啟動運轉(zhuǎn)。

2）瓦斯及有害氣體單元。掘進期間工作面為壓入式通風(fēng)，鄰近采空區(qū)內(nèi)瓦斯及氣體有害氣體濃度小，范圍不大，即使存在氣體也是部分區(qū)域。為此在掘進期間加強工作面瓦斯檢查，及時分析瓦斯來源，并采取針對性措施，此危險因素可控制在安全范圍內(nèi)；采取措施：加強氣體檢查分析，超過正?？煽刂岛罂杉哟蠊ぷ髅媾滹L(fēng)。

3）火災(zāi)單元。采取對重點區(qū)域煤柱裂隙進行注漿和噴漿封閉措施，杜絕裂隙漏風(fēng)造成鄰近采空區(qū)自然發(fā)火。

4）壓力單元。采空區(qū)基本頂在不同力的作用下冒落帶動上覆巖層的移動并形成大結(jié)構(gòu)，10202兩順槽掘進工作面布置在大結(jié)構(gòu)的下方，位于所產(chǎn)生的支承應(yīng)力較低的低應(yīng)力區(qū)，掘進期間所產(chǎn)生的擾動效果對上方大結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定影響較小，并不會影響到大結(jié)構(gòu)的整體結(jié)構(gòu)的改變，大結(jié)構(gòu)整體受力的情況不變，仍然能保持穩(wěn)定的鉸接狀態(tài)，掘巷期間的大結(jié)構(gòu)的力學(xué)環(huán)境變化不大。所以采用加強支護的方式，維護好大結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，巷道就不會產(chǎn)生大變形。具體如下：將原有φ20 mm的HRB400螺紋鋼錨桿變更為φ22 mm的HRB500螺紋鋼錨桿，頂板錨索由原有φ17.8 mm的7股鋼絞線錨索變更為φ22 mm的19股鋼絞線錨索與SKZ22-1/1860中空注漿錨索，并在煤柱側(cè)增加SKZ22-1/1860中空注漿錨索。特殊段（即9201、9203工作面搬家甩構(gòu)造，頂板垮落不充分段）采用水壓預(yù)裂的方式將采空區(qū)與10202工作面的應(yīng)力傳播途徑切斷，確保掘進期間巷道穩(wěn)定。巷道掘進期間嚴(yán)抓工程質(zhì)量，保證煤柱寬度。

綜上所述，10202工作面掘進期間，發(fā)生危險性的概率極小，對于安全生產(chǎn)不會造成不必要的危險，故對掘進期間的安全評價總體而言為1級安全的。

4 回采期間危險因素分析與措施

4.1 回采期間危險因素分析

1）水害單元。①上覆含水層及涌水量情況，10202工作面頂板為太原組砂巖裂隙含水層和灰?guī)r巖溶裂隙含水層，主要以3層石灰?guī)r（K2、K3、K4）為含水層，厚度約16.1 m。其中K2灰?guī)r為10號煤層老頂，是其主要充水含水層，掘進期間施工錨索可能會導(dǎo)水；②帶壓開采情況，本井田奧灰水位標(biāo)高約531.5～533.2 m，10202工作面局部帶壓開采，且工作面內(nèi)存在多處地質(zhì)構(gòu)造，有構(gòu)造導(dǎo)水可能性；③10202工作面兩側(cè)分別為10201、10203工作面的采空區(qū)，根據(jù)10201、10203工作面地質(zhì)原始記錄資料顯示，在10201膠帶順槽365～538 m、701～941 m、1 102～1 232 m、1 323～1 651 m存在4處可能積水區(qū)域。10203膠帶順槽開口處至188 m、1 040～1 258 m、1 309～1 830 m存在3處可能積水區(qū)域。

2）瓦斯及有害氣體單元。10202工作面回采期間為負(fù)壓通風(fēng)，工作面范圍內(nèi)氣壓小于2個鄰近采空區(qū)，同時工作面兩側(cè)煤柱受多重應(yīng)力影響變形會更加明顯，裂隙肯定會存在，為此2個鄰近采空區(qū)內(nèi)積存的瓦斯及有害氣體容易進入工作進回風(fēng)巷道，造成工作面瓦斯涌出量增大。

3）火災(zāi)單元。10202工作面回采期間，兩側(cè)煤柱受多重應(yīng)力影響變形會更加明顯，裂隙肯定會存在，裂隙漏風(fēng)會造成鄰近采空區(qū)自然發(fā)火危險。

4）壓力單元。10202工作面兩側(cè)均為采空區(qū)，現(xiàn)場實踐表明，鄰近采空區(qū)巷道在受本工作面采動影響時，巷道圍巖變形劇烈。采動影響階段，巷道圍巖變形與實體煤巷道相比，可達5～10倍，與掘進期間的圍巖變形量相比，其變形量也可達到掘進期間圍巖變形量的5～10倍左右。9202與10202工作面采用的是聯(lián)合開采方式，9202工作面超前10202工作面30～50 m，但30～50 m的合理錯距是建立在9、10號煤兩側(cè)或單側(cè)為實體煤的情況下，對于孤島工作面是否適用。

4.2 回采期間解決措施

1）水害單元。相鄰采空區(qū)情況，所有積水位置清楚，預(yù)計積水量不多，在掘進期間通過放水基本可以將采空區(qū)積水放空。

2）瓦斯及有害氣體單元。鄰近采空區(qū)積存瓦斯?jié)舛鹊停秶?，且在掘進期間不斷釋放，為此瓦斯因素可防可控。若出現(xiàn)局部瓦斯涌出較大，采取相關(guān)措施：加強氣體檢查和來源分析，超過正?？煽刂岛罂赏ㄟ^合理配風(fēng)，減少鄰近采空區(qū)和本工作面采空區(qū)瓦斯涌出，與此同時采取對重點區(qū)域煤柱裂隙進行注漿和噴漿封閉措施。

3）火災(zāi)單元。10202工作面回采期間是負(fù)壓通風(fēng)且目前2個鄰近采空區(qū)經(jīng)長時間觀測，不存在自然發(fā)火風(fēng)險。若產(chǎn)生自然發(fā)火征兆可采取及時封閉裂隙和向已封閉區(qū)注氮措施。

4）壓力單元。通過公式計算方法得出煤柱寬度4～6 m最為合理，同時采取掘進巷道的加強支護和特殊段的水壓制裂的手段可將10202工作面回采期間巷道變形量控制在最小。

綜上所述，10202工作面回采期間，發(fā)生危險性的概率極小，對于安全生產(chǎn)不會造成不必要的危險，故對回采期間的安全評價總體而言為1級安全的。

5 結(jié)論

利用極限平衡理論計算得到小煤柱合理留設(shè)寬度，在此基礎(chǔ)上采用安全評價法，以華苑煤業(yè)10202孤島工作面掘進與回采期間的影響因素為基礎(chǔ)，綜合考慮生產(chǎn)工藝、巷道布置、機電裝備等特點，將安全評價單元劃分為水害、瓦斯及有害氣體、火災(zāi)、壓力等4個單元，孤島工作面小煤柱開采的安全性進行評價與分析，并提出相應(yīng)的解決措施，研究成果對于孤島工作面安全生產(chǎn)具有有力的指導(dǎo)作用。