深部开采保护煤柱的设计方法

侯甲

摘要：经过几十年的发展，我国的煤矿开采正在从动密集型向资本密集型、技术密集型转变。绿色开采、急倾斜、大倾角煤层开采、智能化开采、深部开采将成为未来煤矿开采的必然趋势，地表和浅层的资源越来越少了，势必要向深部发展才能继续发挥产能。保护煤柱是指专门留在井下不予采出的，旨在保护其上方岩层内部和地表的保护对象不受开采影响的那部分煤炭。本研究主要分析了目前深部开采所存在的问题，并就保护煤柱的设计提出自己的浅见。

关键词：深部开采；保护煤柱；设计

0 引言

保护煤柱是指专门留在井下不予采出的、为了保护其上方岩层内部和地表的保护对象不受开采影响的那部分煤柱。目前深部开采保护煤柱的设计主要有几个难点，比如控制地压，保障通风排水要求，降低矿石、物料等提升成本等。设计者必须切实考虑地表移动变形规律，在煤层上圈定保护煤柱的边界，避开该边界进行开采。因此，为了保护结构物免受地下开采影响和尽量减少煤炭资源损失，就要设置合理可靠的保护煤柱。

1 目前深度开采的技术难点

1.1 维持结构稳定性

随着浅部煤炭资源的逐渐减少甚至枯竭，地下开采的深度越来越大，煤炭开采不得不向着深度开采方向发展，煤炭深部开采的界限一般指700-1 000m。目前国内外许多煤矿都相继进入深部资源开采状态，随着煤炭需求量的增加和开采强度的不断加大，建筑物深部压煤开采问题将越来越突出，但是煤矿进入一定的开采深度，由于埋深增加，仅就煤岩周边垂直应力说来，面临着高地应力、高地温、高渗透压等问题，局部煤岩体介质达到塑性屈服限，变形随时间增加或遇外界扰动因素作用可能出现缓慢变形破坏趋态和大失稳的综合。所以在开采的过程中可能会出现巷道变形剧烈、矿压剧烈、瓦斯高度聚积、突水事故几率增大等灾害事故。为避免二次支护和巷道维修，深部巷道应采用高预应力、强力锚杆组合支护，同时要求支护系统有足够的延伸量与冲击韧性，应尽量一次支护就能有效控制围岩变形与破坏。随着煤柱宽度的增加，煤柱内塑性区的范围逐渐减小，当煤柱宽度超过20 m后，煤柱宽度对下区段顺槽围岩变形的影响为下区段顺槽掘进及工作而回采期间，各项指标值基本不再有大的变化。

1.2 保障通风排水条件

随着矿井开采强度的不断增大，井下局扇功率越来越大，局扇对整个矿井通风状态的影响不能忽视，这要求仿真系统能够模拟在井下任意巷道安设风机、拆除风机、调整风机叶片角度等功能。矿井局扇不得停风，值班矿领导及通风技术员应做好矿井通风、瓦斯检查、排水、防火、防盗等管理工作，井下通风排水人员入井时，由地面入井检身值班人员负责检身登记后同意方能入井，各井口必须派专人进行24小时值班看守，防止无关人员进入。煤矿开采会造成地表沉降，为了防治和减轻这一问题，一般采用充填开采、部分开采和离层带注浆等措施减少井下采空体积，为了防止断层导水通道在高压奥灰水的冲刷下，进一步增大，导致矿井发生水害灾变，同时为了防止断层导水通道在高压奥灰水的作用下对即将掘进的工作面造成突水，应围绕煤层区段巷道保护煤柱、工作面骑跨采下部巷道合理位置及支护方式进行断层带上、下盘防水煤柱宽度计算。还应该采用矿井通风模拟软件组合，帮助地下矿井设计，改进和优化其通风系统，借助先进的技术手段，解决国内矿山行业通风系统调整方案预模拟，合理性分析及方案优选、火灾模拟、污染物扩散模拟、通风系统经济性分析等方面，辅助企业进行通风系统管理及中长期规划。

2 如何合理设计保护煤柱

2.1 建立精确的数学模型

为了提高保护煤柱设计的效率和精度，必须事先建立起精确的数学模型，包括移动角的选取，维护带的设计，受护边界以及松散层保护边界的确定都要经过详细的计算和校正。过去保护煤柱的设计主要靠手工計算和手工作图，效率低、精度差，对地质和采矿方而的因素考虑也不够全而，不能提供高质量的图纸。随着深度增加，岩爆、冲击地压、瓦斯爆炸等突变呈非线性增长，冲击矿压发生的频率、强度和规模会随之上升，瓦斯含量和瓦斯压力增加，如果没有充分考虑实际情况而仓促确定开采方案，极易出现重大安全事故。保护煤柱的移动角指的是在充分采动或接近充分采动条件下，主断层面上临界变形值的点和开采边界的连线与水平线在煤柱一侧所夹的角，倾角较大时，较容易达到安全开采深度。同一矿区，基岩移动角是个定值，同一开采深度，基岩移动角越小，其备用尺寸宽度越大，二者呈指数关系。因此，在模型的建立过程中，不能把移动角作为定值，不同深度的生产矿井留设保护煤柱的备用尺寸差别很大，如果采用现有的一个恒定的浅部移动角值来确定保护煤柱的范围，留下的煤柱过多，可能使煤柱尺寸偏大而浪费资源，会影响以后都地下工作和开采工作，不符合深部开采地表移动和变形规律。考虑沿走向方向煤柱的各种变化特征，设计模型煤层底板厚度和煤层顶板厚度，考虑边界效应及满足推进过程中矿压稳定距离的要求，采用软化模型，用预计法来留设保护煤柱，根据保护建筑物的实际抗变形能力确定允许变形值，预算建筑物所处位置的变形值，从而确定保护煤柱的移动角。建立三维巷道模型，通过导入AutoCAD、Surpac等软件的数据文件或巷道三维节点坐标数据文件生成，建立通风立体图，实现三维模型数据的真三维可视化。

2.2 结合实际情况综合考虑设计方案

深部煤炭资源开采量及开采程度取决于实际技术水平和矿工作业安全能力，深度开采的前提是要保障作业安全、经济合理性、机械化程度，所以应结合实际情况，通过科技攻关、提高人员素质等措施，综合设计施工方案。科学的巷道位置和一定宽度的保护煤柱是保证巷道稳定性的基础和前提，由于上覆岩层压力、巷道上方破碎岩体自重压力，或其它地应力引起的垂直应力会产生巷道顶板下沉、底膨、上帮或下帮变形等情况。因此，应沿空巷道在不同阶段的应力和变形特征确定不同条件下窄煤柱的合理宽度，防止在侧压力的作用下，支护拱顶起尖，锚喷巷道则出现拱顶岩石被挤碎成尖，两帮挤进。要严密监测地下水位，设置防水煤柱，减轻地下水的下降速率，从而减轻地面沉降速率，采用科学的建筑地基回填技术，在设计建筑场地标高时应预留一定高度增强建筑场地的防洪能力，抵抗不均匀沉降，增强整体刚度和强度等，减轻矿坑疏干排水引起的地面沉降。注浆工程竣工后，开挖施工井底煤仓绕道，对整个注浆段剩余涌水量的实测统计，改善受注地层的水文地质和工程地质条件，避免淹井，保证巷道施工质量。同时监管部门要对材料的采购、验收、账目核算进行检查，确保施工材料全面符合工程建设的要求，保证施工质量管理的环境，营造文明施工和安全生产的环境，保证施工承包单位的质量管理体系和质量控制自检系统处于良好的状态， 避免因设计方案考虑不周或施工工艺落后而造成施工进度的推迟。

3 结语

保护煤柱的尺寸宽度与基岩的移动角呈指数函数关系，而移动角的影响因素和矿区的地质采矿条件有关。因此，为了保护建筑物，又能获得更多的煤炭资源，提高矿山的资源回收率，延长矿井的服务年限，应根据岩层与地表移动规律和采矿条件，建立预选函数和数学模型，算出岩层和地表的移动、变形，然后根据实际情况对模型做出校正和修改，最后确定实施方案。

参考文献：

[1]陈俊杰，邹友峰.深部开采条件下保护煤柱备用尺寸的确定方法[J].煤炭工程.？2005（07）.

[2]黄亚军，郭媛.？浅埋近距煤层开采保护煤柱稳定性分析[J].陕西煤炭.2012（03）.

[3]柴华彬，王云广，邹友峰，张光胜.深部开采保护煤柱的设计方法[J].测绘科学.2011（05）.