井筒煤柱開采技術(shù)方案選擇

孫 柱

(臨縣錦源煤礦有限公司，山西 呂梁 033299)

從延長煤礦服務(wù)年限的角度來看，回收井筒(工業(yè)廣場)煤柱，是礦井生產(chǎn)后期都需要面對和解決的問題[1-3]。據(jù)統(tǒng)計，煤礦風(fēng)井煤柱的壓煤量一般有數(shù)萬噸，甚至有的達到十幾萬噸，而包含主、副井的工業(yè)廣場的壓煤量則可以達數(shù)十萬噸到數(shù)千萬噸不等，回收煤柱資源是延續(xù)礦井生產(chǎn)服務(wù)期的必然選擇[4]。由于井筒是煤礦的生產(chǎn)咽喉，直接關(guān)系到礦井的正常生產(chǎn)，在回收井筒(工業(yè)廣場)煤柱的過程中，對井下生產(chǎn)系統(tǒng)的調(diào)整和井筒以及地面主要建構(gòu)筑物(絞車房等)的損害進行精確的評估和防護是一個亟待解決的問題[5]，唯有選擇出合適的井筒煤柱的開采方案，才能實現(xiàn)在安全的基礎(chǔ)上最大限度地解放井筒(工業(yè)廣場)煤柱的煤炭資源[6-8]。

1 主井井筒開采方案選擇依據(jù)

處于基巖部分的井壁，因其外壁表面是摩擦系數(shù)很大的混凝土凹凸結(jié)構(gòu)面，井壁與其周圍巖層較好地黏結(jié)在一起，在該黏結(jié)力作用下，井壁和周圍巖體可認為是一個協(xié)同變化的整體。在回采過程中，上覆巖(土)層受采動影響在一定范圍內(nèi)的會產(chǎn)生水平位移、沉降位移，該位移作用傳遞到井壁時，井壁與周圍巖體將發(fā)生協(xié)同變形，尤其當(dāng)井壁和周圍巖體硬度相近時，當(dāng)豎向變形達到井壁材料本身的極限應(yīng)變值時，井壁會發(fā)生豎向拉伸或壓縮破壞。當(dāng)井壁周圍的巖體上、下軟硬交替，尤其是出現(xiàn)“兩軟夾一硬”情況時，在軟弱夾層處特別容易發(fā)生豎向拉(壓)應(yīng)力集中，繼而發(fā)生豎向拉伸(壓縮)破壞。

井筒煤柱開采方案選擇依據(jù)為：盡可能確保井筒結(jié)構(gòu)位于均衡的附加應(yīng)力場；使井底車場中的硐室避免處于集中壓力疊加影響區(qū)域；同時確保地面主要生產(chǎn)設(shè)備結(jié)構(gòu)(井架、絞車房等)的變形在最大允許范圍內(nèi)。在滿足以上要求的前提下，通過優(yōu)化設(shè)計、加強維護與監(jiān)測，可最大限度地回收井筒煤柱的煤炭資源。

由于主井井筒是溝通井上下煤炭提升、通風(fēng)的綜合井，是全礦安全生產(chǎn)的咽喉，因此在井筒煤柱回收期間必須確保井筒安全。否則，一旦井筒發(fā)生破壞失穩(wěn)，會造成全礦生產(chǎn)系統(tǒng)癱瘓。經(jīng)綜合考慮，認為采用留方塊煤柱的方法，是回收主井井筒煤柱的最佳方法。

鑒于井筒煤柱開采范圍內(nèi)，煤層厚度自2.6～18.6 m變化較大，井筒為混凝土整體澆筑結(jié)構(gòu)，圍巖巖性為中硬偏軟巖層；加之因受二次采動和保護煤柱部分開采的影響，井筒所在位置已產(chǎn)生了一定程度的傾斜變形和破壞，且其周圍已形成孤立煤柱，集中壓力顯現(xiàn)比較嚴重，給井筒的回收增加了技術(shù)上的難度。

綜合以上理由，確定依據(jù)協(xié)調(diào)開采和條帶開采兩種主要理論依據(jù)，進行煤柱的回收。

2 方案設(shè)計

2.1 方案1：直接對稱相向協(xié)調(diào)開采

協(xié)調(diào)開采顧名思義就是在同一區(qū)域內(nèi)，利用兩個(多個)采煤工作面，從空間和時間兩個維度保持同步或者某一特定關(guān)系進行回采。

在豎向范圍內(nèi)，上下兩個相鄰工作面，保持穩(wěn)定錯距，在時間上保持同步或某一特定關(guān)系回采，使其受采動影響范圍產(chǎn)生的拉伸或者壓縮得到部分抵消，最終減少建筑物的動態(tài)最大變形值與開采影響次數(shù)(圖1)。

圖1 兩個煤層(分層)協(xié)調(diào)開采示意

該方法一方面可以防止井筒在回采過程中，產(chǎn)生劇烈的傾斜變形，另一方面還能夠確?；夭蛇^程中因覆巖移動引起的井筒周圍巖體水平方向附加應(yīng)力場沿井筒周圍均勻分布，對井筒保護提供一定的有利條件。

以兩個條帶工作面從保護煤柱邊界同時對稱向井筒方向進行回采，明顯的不利之處就是會引起井筒上部較大的壓縮變形，由于覆巖移動變形的疊加，該壓縮變形將遠超過單向回采時的壓縮變形。隨著回采工作的進行，在對稱工作面推進到一定位置時，井筒壓縮變形將波及井筒的下部，繼而引起井筒的上部卸載，但在開采水平上、下會產(chǎn)生較大壓縮變形。同時，運用該技術(shù)回收煤柱的最大優(yōu)點為在任何時候都不會使井筒產(chǎn)生豎向的拉伸變形或破壞。為消除井筒在對稱工作面回采過程中在開采水平上下產(chǎn)生的壓縮變形，可在開采水平上設(shè)置變形縫，以在采動過程主動卸壓，使開采水平上井筒壓縮變形減少。

該方案利用既有巷道進行回采，至井筒東西兩邊80 m處停采(留設(shè)80 m保護煤柱)；井筒北部設(shè)計區(qū)域總寬58 m，留設(shè)40 m寬的防偏煤柱，被防偏煤柱分成東西兩個部分，布置兩個工作面從井筒保護煤柱外邊界，同時向防偏煤柱方向相向進行回采。工作面布置示意見圖2。

圖2 直接對稱相向協(xié)調(diào)開采

2.2 方案2：條帶寬工作面對稱開采

該方法，一方面可以防止井筒在回采過程中產(chǎn)生劇烈的傾斜變形，另一方面還能夠確?；夭蛇^程中，因覆巖移動引起的井筒周圍巖體水平方向附加應(yīng)力場沿井筒周圍均勻分布，對井筒保護提供一定的有利條件。

采用條帶寬工作面對稱開采時，井筒北部設(shè)計區(qū)域采寬26 m，留寬23 m；南部設(shè)計區(qū)域采寬40 m，留寬50 m，主井井筒四周各留設(shè)50 m方塊煤柱，井筒北部留設(shè)40 m寬的防偏煤柱，工作面布置如圖3所示。由于所采煤層主要位于井筒北側(cè)，在開采井筒煤柱時，為防止上山方向開采引起井筒煤巖柱偏斜、滑移，同時因開采上部煤層需要開掘兩條上山巷道，用做井筒煤柱回收期間的運輸與通風(fēng)工作，需留設(shè)防偏煤柱，并采用相向?qū)ΨQ開采。

圖3 條帶寬工作面對稱開采

2.3 方案3：直接回采與更改系統(tǒng)全柱回采

該方案是充分考慮錦源煤礦實際地質(zhì)條件與2017年采掘接替計劃，在系統(tǒng)改造方案實施順利的基礎(chǔ)上(主井報廢，原副井變?yōu)轱L(fēng)井，原風(fēng)井變?yōu)榛旌咸嵘?，為確保2017年產(chǎn)量和后期回采特設(shè)計的開采方案(見圖4)。其中為了保證系統(tǒng)接替，延長主井和絞車房使用時間，確保井筒、絞車房在使用過程中正常運轉(zhuǎn)，設(shè)計中確定了兩個停采線，一個在絞車房東部走向45 m處，一個在絞車房東部走向60 m處，具體位置視預(yù)計結(jié)果和觀測站測定情況而定。

圖4 直接回采與更改系統(tǒng)全柱回采的聯(lián)合開采發(fā)

3 開采方案對比分析

3.1 方案的工程量及相關(guān)因素比較

方案1：直接對稱相向協(xié)調(diào)開采。該方案在南部設(shè)計區(qū)域布置2個正常工作面，北部設(shè)計區(qū)域布置2個工作面，對稱開采，不留設(shè)條帶煤柱。

方案2：條帶寬工作面對稱開采。該方案共布置6個小條帶工作面，保留4個條帶煤柱。

方案3：直接回采與更改系統(tǒng)全柱回采的聯(lián)合開采。該方案共布置4個工作面，即南部東西走向2個工作面，北部2個工作面，實現(xiàn)全柱回采。

3個方案的工程(工作)量比較見表1。

表1 方案工程(工作)量比較

3.2 方案的優(yōu)缺點比較

1) 直接對稱相向協(xié)調(diào)開采。優(yōu)點在于工作面搬家次數(shù)少，整體工程量較少，工作面便于接替；缺點是對井筒的維護相對困難，為后期回收其他煤柱帶來困難。結(jié)合礦方生產(chǎn)實際綜合分析認為，設(shè)計開采區(qū)域煤層傾角平均為19°，屬于緩傾斜煤層。在限制采高的前提下，經(jīng)過提前布點監(jiān)測，根據(jù)反饋的采動影響和井筒變形情況，通過及時修正開采方案和工作面推進速度，達到采出煤量和開采面積及開采時間的對稱平衡。

2) 帶寬工作面對稱開采。優(yōu)點是可以在保證井筒絞車房正常使用的情況下，最大限度地采出煤炭資源，能回收50%的主井煤柱。同時在理論上更具合理性；缺點是搬家次數(shù)相對方案1、方案3搬家次數(shù)頻繁。

3) 直接回采與更改系統(tǒng)全柱回采的聯(lián)合開采。在實施過程中為保證生產(chǎn)接續(xù)，在絞車房東部走向60 m位置設(shè)置可修正的停采線，根據(jù)觀測站持續(xù)監(jiān)測提供的動態(tài)數(shù)據(jù)及時調(diào)整，以確保絞車房的正常工作。該方案的優(yōu)點是：一旦系統(tǒng)改造成功，生產(chǎn)環(huán)節(jié)得到優(yōu)化，工作面搬家、采掘接替、通風(fēng)治理等問題都得到很好的解決，有利于實現(xiàn)全柱回采，可最優(yōu)化地解放出全柱的煤炭資源。

4 結(jié) 語

1) 直接對稱相向協(xié)調(diào)開采方案，利用既有巷道進行回采，停采線在井筒東西兩邊80 m處，留設(shè)80 m方塊煤柱。井筒北部留設(shè)40 m寬的防偏煤柱，北部設(shè)計區(qū)域總寬58 m，被防偏煤柱分為東西兩個部分，布置兩個工作面從保護煤柱外邊界向防偏煤柱方向同時相向進行回采。

2) 條帶寬工作面對稱開采方案，即北部設(shè)計區(qū)域采寬26 m，留寬23 m；南部設(shè)計區(qū)域采寬40 m，留寬50 m，主井井筒四周各留設(shè)50 m方塊煤柱，井筒北部留設(shè)40 m寬的防偏煤柱，布置6個小條帶工作面，保留4個條帶煤柱。

3) 直接回采與更改系統(tǒng)全柱回采的聯(lián)合開采方案，共布置井筒東西方位2個工作面在第一階段同時回采，在第二階段系統(tǒng)改造后，實現(xiàn)全柱回采。

經(jīng)綜合以上3種開采方案的分析比較，確定方案3為首選方案，方案1為備用方案。并且方案1的第一步驟在技術(shù)上與方案3相同，在系統(tǒng)改造不能實現(xiàn)的情況下，方案1可以及時替代方案3實施。