大采高工作面小(無)煤柱開采技術(shù)適應(yīng)性研究

于健浩

(1.中煤科工開采研究院有限公司，北京 100014；2. 天地科技股份有限公司 開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013)

合理的巷道布置方式是保證采掘接續(xù)平衡、提高煤炭資源回收率的重要手段[1，2]。目前國內(nèi)絕大多數(shù)礦井仍然延用傳統(tǒng)的寬煤柱護(hù)巷方式，這種巷道布置方式的優(yōu)點(diǎn)在于巷道大多易于維護(hù)，但煤炭資源浪費(fèi)嚴(yán)重，據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國煤礦區(qū)段煤柱寬度一般在15～30m，個(gè)別礦井為解決瓦斯問題采用雙U型布置，煤柱寬度達(dá)到60m，由此導(dǎo)致采區(qū)回采率降低15%以上，造成極大的資源浪費(fèi)[3，4]。同時(shí)，隨著采掘環(huán)境的變化，煤柱寬度未做調(diào)整，適應(yīng)性變差[5-7]，致使巷道處于高應(yīng)力環(huán)境中，由此導(dǎo)致的巷道大范圍變形破壞時(shí)有發(fā)生[8，9]。

煤炭資源緊缺局面日益提升，國內(nèi)許多煤礦受制于資源總量限制，普遍開展小(無)煤柱開采技術(shù)的嘗試，最具代表性的技術(shù)包括小煤柱護(hù)巷、沿空留墻、沿空留巷技術(shù)等，可有效提升采區(qū)回采率，延長礦井服務(wù)年限。近年來隨著山西優(yōu)質(zhì)煤炭資源的日漸枯竭，小(無)煤柱巷道布置方式逐步推廣應(yīng)用，并取得了較好的應(yīng)用效果[10-16]。由此可知，小煤柱、沿空留墻、沿空留巷技術(shù)在山西地區(qū)礦井具有較好的適用性，但受開采條件、采掘接續(xù)、技術(shù)水平等條件制約，小(無)煤柱開采技術(shù)并非完全適用所有煤礦，需根據(jù)不同礦井條件進(jìn)行深入分析。山西福達(dá)礦工作面切眼長度200～220m，留設(shè)的20m區(qū)段煤柱，浪費(fèi)大量煤炭資源，使采區(qū)整體資源回收率下降8%～9%。本文以該礦152采區(qū)工作面為研究對象，分別從技術(shù)可行性、安全性和經(jīng)濟(jì)性三方面對小煤柱護(hù)巷、沿空留巷、沿空留墻三種巷道優(yōu)化布置方案進(jìn)行分析，得出該條件下最優(yōu)的小(無)煤柱開采方式。

1 工程概況

福達(dá)礦位于山西省長治市，礦井設(shè)計(jì)產(chǎn)能120萬t/a，主采15#煤層，15202工作面處于15#煤層152采區(qū)，工作面走向長度1194m，可采儲(chǔ)量127.2萬t，工作面范圍內(nèi)煤層厚度4.2～4.67m，賦存穩(wěn)定，平均采高4.4m，煤層傾角9°～15°，平均坡度11°，煤層平均埋深超過500m。接續(xù)工作面為與之相鄰的15204工作面，工作面走向長度1306m。工作面采用大采高一次采全高全部垮落法開采，巷道沿煤層頂板布置，巷道高度3.5～4.5m，15202工作面布置如圖1所示。

圖1 15202工作面布置

該煤礦區(qū)段煤柱寬度一般在20m左右，根據(jù)同一采區(qū)相鄰工作面回采情況，由于接續(xù)緊張，該工作面巷道掘進(jìn)期間，相鄰采空區(qū)形成時(shí)間較短，一般在1a內(nèi)，采空區(qū)靠近區(qū)段煤柱一側(cè)的頂板活動(dòng)依然頻繁，導(dǎo)致臨空巷道處于高應(yīng)力環(huán)境中。此外，根據(jù)現(xiàn)場地應(yīng)力測試結(jié)果，水平主應(yīng)力最大值為18.45MPa，按照相關(guān)地應(yīng)力量級標(biāo)準(zhǔn)屬中等偏高應(yīng)力值區(qū)域。受以上兩方面因素影響，掘進(jìn)期間出現(xiàn)斷錨現(xiàn)象，回采期間巷道持續(xù)變形，需采取補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)并擴(kuò)幫拉底，才能保證巷道正常使用。

2 巷道優(yōu)化布置方式研究

根據(jù)152采區(qū)15#煤層賦存條件，分別制定小煤柱護(hù)巷、沿空留巷、沿空留墻三種巷道布置方式優(yōu)化方案。

2.1 小煤柱護(hù)巷技術(shù)方案

2.1.1 煤柱留設(shè)寬度研究

小煤柱護(hù)巷關(guān)鍵在于巷道避開采空區(qū)側(cè)向應(yīng)力峰值區(qū)，降低側(cè)向應(yīng)力對巷道圍巖穩(wěn)定性的影響?；谀獱枴獛靷悳?zhǔn)則和彈性力學(xué)理論得出極限平衡區(qū)寬度的計(jì)算公式為：

(1)

式中，m為煤柱高度，巷道平均高度為4m，取4m；λ為塑性區(qū)邊界面的側(cè)壓系數(shù)，根據(jù)福達(dá)礦15#煤二采區(qū)地應(yīng)力測試結(jié)論，最大水平主應(yīng)力為12.2MPa，垂直應(yīng)力為8.6MPa，測壓系數(shù)取1.4；φ為煤體內(nèi)摩擦角，取34°；K為塑性區(qū)邊界面應(yīng)力集中系數(shù)，根據(jù)鉆孔應(yīng)力實(shí)測數(shù)據(jù)，煤柱內(nèi)部最大垂直應(yīng)力為17.1MPa，因此應(yīng)力集中系數(shù)取2；γ為上覆巖層平均容重，取0.025MN/m3；H為煤柱埋深，取483m；C0為煤層粘聚力，考慮到煤柱受15202工作面超前及側(cè)向支承壓力影響及15204回風(fēng)巷掘進(jìn)動(dòng)壓影響，其粘聚力應(yīng)低于物理力學(xué)測試結(jié)果(2.9MPa)，因此煤層粘聚力取2.5MPa；Px為錨桿對煤柱的側(cè)向阻力，根據(jù)錨桿應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果，取16MPa。

將各值帶入式(1)得出，小煤柱留設(shè)范圍內(nèi)煤柱的極限平衡區(qū)的寬度為x1=2.53m。

臨空巷道采用錨網(wǎng)支護(hù)，小煤柱側(cè)錨桿錨固范圍內(nèi)煤體可能處于塑性破壞區(qū)內(nèi)，同時(shí)考慮一定的安全系數(shù)，則合理的小煤柱寬度公式為：

B=x1+x2+x3

(2)

式中，x1為煤柱塑性區(qū)寬度，m；x2為錨桿長度，取2.4m；x3為煤柱安全系數(shù)，一般取 0.15～0.4(x1+x2)。

將有關(guān)參數(shù)帶入式(2)得出，煤柱合理寬度為B=5.67～6.90m。因此，經(jīng)初步理論計(jì)算得出15202工作面合理小煤柱留設(shè)寬度為5.67～6.90m。同時(shí)，借鑒山西省類似條件礦井小煤柱應(yīng)用情況[10-12]，見表1，確定煤柱留設(shè)寬度為6m。

表1 山西省部分小煤礦開采應(yīng)用情況

2.1.2 小煤柱側(cè)向卸壓技術(shù)研究

為保證臨空小煤柱巷道圍巖穩(wěn)定性，采用定向水力壓裂側(cè)向切頂卸壓技術(shù)對煤柱上方頂板集中應(yīng)力進(jìn)行卸荷[13，14]，降低小煤柱及臨空巷道的整體應(yīng)力水平。預(yù)裂深度(H)臨界設(shè)計(jì)公式如下：

H=(H采-ΔH1-ΔH2)/(K-1)

(3)

式中，H采為工作面采高，取4.4m；ΔH1為頂板下沉量，頂板下沉量較小，取0m；ΔH2為底鼓量，巷道無底鼓現(xiàn)象，取0m；K為碎脹系數(shù)，頂板以砂質(zhì)泥巖、砂巖為主，取1.2。

將有關(guān)參數(shù)帶入式(3)計(jì)算得出頂板巖層治理高度為22m。根據(jù)15#煤層頂板條件及煤層厚度情況，確定水力壓裂主要治理層位為3.47m的細(xì)砂巖及5.48m的K2石灰?guī)r，綜合柱狀圖如圖2所示。

圖2 綜合柱狀圖

在15204回風(fēng)巷距切眼129m位置(距15202工作面采空區(qū)投影16m處)開始布置定向水力壓裂鉆孔，設(shè)置A、B兩種鉆孔。其中，A孔孔深32m，方位角90°，仰角45°；B孔孔深33m，方位角80°，仰角45°。水力壓裂鉆孔布置如圖3所示。15204回風(fēng)巷總長度1306m，除去實(shí)體煤及終采線內(nèi)非小煤柱影響區(qū)，15204回風(fēng)巷水力壓裂總長度1047m，布置A孔131個(gè)，B孔130個(gè)，鉆孔總進(jìn)尺8482m。采用分段壓裂工藝，由孔底向外每隔3m壓裂一次，至孔口5～6m位置停止壓裂，每個(gè)鉆孔壓裂9次。

圖3 定向水力壓裂鉆孔布置

2.2 沿空留墻技術(shù)方案

沿空留墻技術(shù)是指在靠近工作面運(yùn)輸巷實(shí)體煤一側(cè)預(yù)留柔模混凝土墻體，下一工作面回風(fēng)巷沿墻體掘進(jìn)。具體布置方式為在15202運(yùn)輸巷下幫(外側(cè))留設(shè)柔模混凝土墻，原有巷道寬度5m，為保證留墻后運(yùn)輸巷剩余寬度滿足運(yùn)輸及行人需求，巷道需加寬至6.5m。下一工作面15204回風(fēng)巷沿墻掘進(jìn)，實(shí)現(xiàn)無煤柱開采。基于15202工作面賦存條件，借鑒周邊王莊礦沿空留墻技術(shù)參數(shù)[15]，王莊煤礦采用大采高綜采工藝回采3#煤層，煤層平均厚度5.6m，巷道高度5m，基本條件與福達(dá)煤礦類似，留墻寬度為1.5m。初步確定留墻方案及工藝，墻體寬度1.5m，下幫巷高3.5m，為了保證墻體穩(wěn)定性，需挖底掏槽1m并澆筑混凝土，作為柔模墻基礎(chǔ)。實(shí)施主要分為三個(gè)階段：第一階段，尾巷采用“柔模袋+混凝土+對拉錨桿”的方式澆筑墻體，隔絕采空區(qū)；第二階段，工作面設(shè)備列車安裝前，超前工作面250m范圍澆筑柔模墻；第三階段，隨著工作面回采，在設(shè)備列車外開展留墻作業(yè)，至終采線外10m，留墻總長度770m。在工作面回采完成后，在終采線以外澆筑密閉墻，隔絕采空區(qū)。沿空留巷實(shí)施方案如圖4所示。

圖4 沿空留墻實(shí)施方案

為了降低15204回風(fēng)巷在沿墻掘巷及工作面回采時(shí)的側(cè)向應(yīng)力，采用定向水力壓裂對側(cè)向頂板進(jìn)行壓裂，施工方案與小煤柱頂板壓裂方案一致。

同樣需對15204回風(fēng)巷進(jìn)行支護(hù)優(yōu)化，上幫高度4.5m，與柔?；炷翂w高度一致，因此無需支護(hù)。巷道支護(hù)方式如圖5所示。由于15202運(yùn)輸巷加寬至6.5m，為保證巷道圍巖穩(wěn)定性，需采用補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案，為了提高支護(hù)系統(tǒng)對頂板的懸吊能力，兩排錨索間需補(bǔ)打一排錨索，每排3根，間距1.5m，首根錨索距幫300mm。

圖5 沿墻掘巷支護(hù)方式(mm)

2.3 沿空留巷技術(shù)方案

采用沿空留巷技術(shù)與沿空留墻技術(shù)類似，隨著工作面的回采，在工作面后方靠近運(yùn)輸巷采空區(qū)側(cè)留設(shè)柔?；炷翂w，隔絕采空區(qū)，將運(yùn)輸巷留作下一工作面回風(fēng)巷使用，同時(shí)留巷與采區(qū)邊界回風(fēng)巷或15204回采巷道連通，形成通風(fēng)系統(tǒng)，作為本工作面回風(fēng)巷使用[16，17]。

目前，山西長治、晉城地區(qū)許多礦井采用柔模混凝土沿空留巷技術(shù)，墻體寬度普遍在1～1.5m之間，借鑒周邊類似條件礦井應(yīng)用案例[18，19]，見表2，確定福達(dá)煤礦15#煤層沿空留巷混凝土墻體寬度為1.5m。

表2 晉南地區(qū)沿空留巷應(yīng)用情況統(tǒng)計(jì)

15202工作面采用沿空留巷技術(shù)，15202運(yùn)輸巷寬度及補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案與沿空留墻方案一致，留墻位置改為工作面后方巷道內(nèi)幫處，巷道布置及留巷方案如圖6所示。

圖6 沿空留巷方案

3 巷道布置方式技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較

3.1 技術(shù)比較

對比小煤柱護(hù)巷、沿空留墻、沿空留巷三種布置方式的優(yōu)缺點(diǎn)，見表3。由對比結(jié)果可知，小煤柱護(hù)巷方案實(shí)施難度最小，沿空留墻方案巷道最易維護(hù)，采用沿空留墻或沿空留巷技術(shù)需對原有15202運(yùn)輸巷進(jìn)行刷幫擴(kuò)巷，并對巷道進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，沿空留巷方案需等待15204回采巷道與15202運(yùn)輸巷貫通形成回風(fēng)系統(tǒng)方可開采，施工周期較長，都將推遲工作面原定開采時(shí)間，對礦井產(chǎn)能影響較大。

表3 巷道布置方式技術(shù)對比

3.2 安全比較

1)采用小煤柱護(hù)巷方案，依靠5～6m寬煤柱隔離采空區(qū)，煤柱圍巖穩(wěn)定性較低，臨空巷道維護(hù)難度大。同時(shí)，由于煤柱內(nèi)遺留15202運(yùn)輸巷瓦斯鉆場，鉆場尺寸為長×寬=5m×3.5m，煤柱剩余寬度1.5～2.5m，巷道掘進(jìn)及回采期間容易導(dǎo)致失穩(wěn)破壞，回風(fēng)巷與采空區(qū)溝通導(dǎo)致漏風(fēng)、涌水、采空區(qū)遺煤自燃等風(fēng)險(xiǎn)等級提升，需采取專項(xiàng)措施提前對瓦斯鉆場進(jìn)行治理。

2)采用沿空留墻方案，由于柔模墻承載能力高，穩(wěn)定性較好，可以有效隔絕采空區(qū)有害氣體涌入及水害風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，新掘巷道未受二次采動(dòng)影響，巷道更易維護(hù)。

3)采用沿空留巷方案，柔模墻隔離采空區(qū)能力較好，但受二次采動(dòng)影響，巷道頂板下沉量大，且煤層傾角平均10°左右，存在采空區(qū)側(cè)向高應(yīng)力頂板拖垮墻體的可能?？蓪?shí)現(xiàn)Y型通風(fēng)，降低工作面瓦斯超限風(fēng)險(xiǎn)，有利于工作面瓦斯管理。

3.3 經(jīng)濟(jì)比較

3.3.1 投資分析

根據(jù)小煤柱、沿空留墻、沿空留巷方案特點(diǎn)，分別從設(shè)備、材料、施工及后期維護(hù)等方面對各方案投資進(jìn)行核算：主要設(shè)備投入包括用于切頂卸壓的高壓泵、鉆機(jī)，用于留墻的連續(xù)攪拌泵送系統(tǒng)、擋矸支架等；材料費(fèi)包括用于水力壓裂的封隔器、鉆頭、高壓膠管、注水鐵桿等耗材，用于架設(shè)柔?；炷翂Φ娜崮４?、混凝土、對拉錨桿等；施工費(fèi)包括水力壓裂施工費(fèi)、擴(kuò)巷施工費(fèi)、留墻施工費(fèi)、留墻基礎(chǔ)施工費(fèi)等；后期維護(hù)主要指15204回風(fēng)巷在工作面回采期間所需的日常維護(hù)費(fèi)，包括拉底、擴(kuò)幫、補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)等費(fèi)用[18，20]。

經(jīng)計(jì)算，小煤柱護(hù)巷方案設(shè)備費(fèi)為46萬元，材料費(fèi)89.3萬元，施工費(fèi)64.3萬元，后期維護(hù)費(fèi)800萬元，共計(jì)999.6萬元；沿空留墻方案設(shè)備費(fèi)為286萬元，材料費(fèi)831.2萬元，施工費(fèi)475.7萬元，后期維護(hù)費(fèi)290萬元，共計(jì)1882.9萬元；沿空留巷方案設(shè)備費(fèi)為566萬元，材料費(fèi)856.8萬元，施工費(fèi)443.6萬元，后期維護(hù)費(fèi)770萬元，共計(jì)2636.4萬元。

3.3.2 效益分析

福達(dá)礦區(qū)段煤柱留設(shè)寬度一般為20m，按小煤柱寬度5m，接續(xù)工作面可采長度1160m，15#煤層容重1.4t/m3，噸煤利潤750元計(jì)算，各方案經(jīng)濟(jì)效益對比分析見表4。

表4 各方案經(jīng)濟(jì)效益對比

綜合以上分析，從技術(shù)方面，沿空留墻、沿空留巷受擴(kuò)巷、構(gòu)筑柔模墻、回風(fēng)系統(tǒng)等方面的影響，延誤本工作面開采時(shí)間；而小煤柱護(hù)巷實(shí)施難度最低。從安全方面，小煤柱及柔模墻體穩(wěn)定性對小煤柱護(hù)巷方案及沿空留巷方案安全影響突出；而沿空留墻方案安全性最高。對于經(jīng)濟(jì)效益而言，沿空留巷方案可節(jié)省一條巷的掘進(jìn)費(fèi)用，經(jīng)濟(jì)效益最為顯著，但考慮到沿空留墻、沿空留巷兩個(gè)方案影響生產(chǎn)近4～6個(gè)月，影響礦井產(chǎn)量40～60萬t，短期經(jīng)濟(jì)損失達(dá)3～4.5億元。因此，最終確定采用小煤柱護(hù)巷方案。

4 結(jié) 論

1)以福達(dá)礦15202工作面為研究對象，開展了巷道優(yōu)化布置方式研究工作，根據(jù)該工作面條件，分別設(shè)計(jì)了小煤柱護(hù)巷、沿空留墻、沿空留巷技術(shù)方案，并制定了巷道側(cè)向卸壓及巷道支護(hù)優(yōu)化方案。技術(shù)方面，小煤柱護(hù)巷實(shí)施難度最小，沿空留墻方案巷道最易維護(hù)，但采用沿空留墻或沿空留巷技術(shù)需對原有15202運(yùn)輸巷進(jìn)行刷幫擴(kuò)巷，施工周期較長，影響工作面正常生產(chǎn)。

2)安全方面，沿空留墻巷道不受二次采動(dòng)影響，且墻體可有效隔離采空區(qū)，安全性最好；小煤柱護(hù)巷受煤柱內(nèi)瓦斯鉆場影響，存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)，需采取補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)、注漿充填等措施提前對瓦斯鉆場進(jìn)行處理；沿空留巷受二次采動(dòng)影響，巷道變形大，維護(hù)相對困難。

3)經(jīng)濟(jì)效益方面，沿空留巷投資及效益最高，沿空留墻方案次之，小煤柱投資低，經(jīng)濟(jì)效益相對較低。綜上，慮到沿空留巷、沿空留墻兩個(gè)方案受施工影響礦井產(chǎn)能及礦井年度效益3～4.5億元，因此，最終確定采用小煤柱護(hù)巷方案。在后期采掘接續(xù)緊張的局面得到緩解時(shí)，能夠保證沿空留巷Y型通風(fēng)系統(tǒng)布置完備的情況下，再改用沿空留巷布置方式。