华苑煤业10202孤岛工作面小煤柱开采安全评价与分析

车鹏飞

（山西兰花科技创业股份有限公司望云煤矿分公司，山西 高平048400）

0 引言

随着科学技术日新月异发展，煤矿机械装备水平的逐步提升，大幅度地提升了煤矿回采速度与产量，与此同时也会出现工作面衔接困难的现象；因此，为保证矿井正常衔接生产，防止相邻工作面之间采动影响，许多矿井采用了采区工作面间的跳采方式解决回采衔接难题，然而随之也产生了大量的孤岛工作面。由于孤岛工作面周围围岩均已受到采动影响，加之矿井地质赋存条件往往较为复杂，这就给孤岛工作面的安全生产带来了极大影响，因此，对孤岛工作面小煤柱开采进行安全评价与分析具有积极的实践意义和现场指导作用。

1 孤岛工作面概况

1.1 工作面基本情况

1）10号煤性质及顶底板岩性。煤层揭露煤厚为4.1~4.4 m；开拓范围内，煤厚变化不大，煤层结构较简单，含矸2~3层，夹矸厚度0.10~0.68 m，局部夹矸厚接近0.7 m；顶板为泥岩、砂质泥岩，底板为泥岩、砂质泥岩；煤层瓦斯含量最大值小于4 m3/t，不存在煤与瓦斯突出危险；瓦斯类型为简单；水文地质类型划分为中等；为自燃煤层，具有煤尘爆炸危险性。

2）10号煤地质构造。根据煤层底板等高线分析，10202孤岛工作面煤层整体呈单斜构造，地层产状平缓，倾角均小于15°。掘进过程中会遇到部分小型褶曲。

三维物探勘探出工作面范围内有1个断层，为DF1正断层，工作面内总体地质构造为中等，受构造的影响，工作面接近构造附近可能存在伴生小断层。预计10202胶带顺槽掘进到285 m处揭露SX17陷落柱，巷道揭露长度33 m，在500 m处揭露FS-6断层，在1 109 m处揭露SX20陷落柱，巷道揭露长度为22 m，在1 144m处揭露SX21陷落柱，巷道揭露长度为15 m，在1 205 m处揭露SX22陷落柱，巷道揭露长度为24 m，在1 255 m处揭露FS-9断层，在1 717 m处揭露FS-11断层。10202轨道顺槽在掘进到873 m处揭露FS-19断层；掘进至1 933 m处揭露FS-34断层。

3）10号煤工作面回采情况。工作面主要有胶带顺槽、轨道顺槽和开切眼组成。10202工作面主要设备有：液压支架（ZY6800/24/48）、采煤机（MG400/930-GWD）、刮板输送机（SGZ800/1050）、转载机（SZZ-800/250）、破碎机（PLM2000）和胶带输送机（DSJ100/65/2×200）。

1.2 小煤柱合理宽度计算

利用如图1所示的极限平衡理论，对小煤柱合理留设宽度进行理论计算。

图1 小煤柱宽度计算图

根据图1所示的极限平衡理论，小煤柱合理宽度的计算公式如式1所示：

式中：B为小煤柱合理宽度，m；x1为邻近工作面开采后在煤体中产生的塑性区宽度，m，即为应力极限平衡区宽度；x3为锚杆长度，取2.2 m；x2为考虑煤层厚度较大而增加的煤柱稳定系数，可按（x1+x3）×（10%～30%）进行计算，考虑巷道经受2次采动影响，煤柱稳定性取系数最大值30%。

应力极限平衡区宽度X0可由式（2）进行计算：

式中，m为煤层平均采厚，取4.23 m；A为侧压系数，A=μ/1-μ，泊松比μ=0.28，那么A=0.389；φ0为煤层界面的内摩擦角，取30°；C0为煤层界面的黏结力，取3 MPa；K为应力集中系数，取值5；γ为上覆岩层平均容重，取25 MN/m3；H为煤层埋深，取340 mm；Px为对煤帮的支护阻力，取0 MPa。

根据华苑煤业各项参数代入上述公式，计算得到：B=1.95+2.2+0.7=4.85 m。

2 安全评价法简介

2.1 安全评价法简介

安全评价法将定性与定量2个方面的分析结合起来，来分析评价工程项目的安全性。本文以华苑煤业开采状况为基础，对孤岛工作面小煤柱开采的安全性进行评价分析，并针对工作面掘进与回采期间的各项危险因素提出相应措施。工程项目危险、有害因素等级划分表见表1。

表1 危险、有害因素等级划分表

2.2 危险单元划分

以华苑煤业10202孤岛工作面掘进与回采期间的影响因素为基础，综合考虑生产工艺、巷道布置、机电装备等特点，将安全评价单元划分为水害、瓦斯及有害气体、火灾、压力等4个单元。

3 掘进期间危险因素分析与措施

3.1 掘进期间危险因素分析

1）水害单元。10202胶带顺槽掘进方向的右帮为10201工作面采空区，10202轨道顺槽掘进方向的左帮为10203工作面采空区，根据10201、10203工作面地质原始记录资料显示，在10201胶带顺槽365～538 m、701～941m、1 102～1 232 m、1 323～1 651m存在4处可能积水区域。10203胶带顺槽开口处至188 m、1 040～1 258 m、1 309～1 830 m存在3处可能积水区域，煤柱留设6 m，在掘进期间施工锚杆（索）将有可能导水。

2）瓦斯及有害气体单元。10202胶带顺槽掘进方向的右帮为10201工作面采空区，10202轨道顺槽掘进方向的左帮为10203工作面采空区，10号煤直接顶为砂质泥岩，局部节理、裂隙发育，易冒落，采空区内瓦斯及有害气体可能会通过裂隙及地质构造进入掘进工作面。

3）火灾单元。10202胶带顺槽掘进方向的右帮为10201工作面采空区，10202轨道顺槽掘进方向的左帮为10203工作面采空区，10号煤直接顶为砂质泥岩，局部节理、裂隙发育，易冒落，裂隙漏风会造成邻近采空区自然发火危险。

4）压力单元。10202胶带顺槽掘进方向的右帮为10201工作面采空区，10202轨道顺槽掘进方向的左帮为10203工作面采空区，邻近采空区布置掘进工作面，受采空区上覆岩层影响，在煤柱边缘形成侧向支承应力，巷道周围煤岩体容易出现大变形、顶板离层、片帮、冒顶等现象。受地质构造影响9201、9203工作面都存在搬家甩构造的情况，这些特殊区段可能存在顶板未完全垮落，在10202工作面两顺槽掘进过程中可能会受其影响出现大变形、顶板离层、片帮、冒顶等现象。

3.2 掘进期间解决措施

1）水害单元。相邻采空区情况，所有积水位置清楚，预计积水量不多，利用帮锚索注浆加固煤柱强度，起到挡水效果。针对7处可能积水区域超前30 m开始对采空区方向，在正常探水的基础上，右帮增加3个钻孔，终孔间距20 m，进行超前放水。工作面保证排水系统正常运转，10202胶带和轨道顺槽安装2趟排水管路，备用2台水泵，2台开关，并保证有1台水泵随时能够启动运转。

2）瓦斯及有害气体单元。掘进期间工作面为压入式通风，邻近采空区内瓦斯及气体有害气体浓度小，范围不大，即使存在气体也是部分区域。为此在掘进期间加强工作面瓦斯检查，及时分析瓦斯来源，并采取针对性措施，此危险因素可控制在安全范围内；采取措施：加强气体检查分析，超过正常可控值后可加大工作面配风。

3）火灾单元。采取对重点区域煤柱裂隙进行注浆和喷浆封闭措施，杜绝裂隙漏风造成邻近采空区自然发火。

4）压力单元。采空区基本顶在不同力的作用下冒落带动上覆岩层的移动并形成大结构，10202两顺槽掘进工作面布置在大结构的下方，位于所产生的支承应力较低的低应力区，掘进期间所产生的扰动效果对上方大结构的稳定影响较小，并不会影响到大结构的整体结构的改变，大结构整体受力的情况不变，仍然能保持稳定的铰接状态，掘巷期间的大结构的力学环境变化不大。所以采用加强支护的方式，维护好大结构的稳定，巷道就不会产生大变形。具体如下：将原有φ20 mm的HRB400螺纹钢锚杆变更为φ22 mm的HRB500螺纹钢锚杆，顶板锚索由原有φ17.8 mm的7股钢绞线锚索变更为φ22 mm的19股钢绞线锚索与SKZ22-1/1860中空注浆锚索，并在煤柱侧增加SKZ22-1/1860中空注浆锚索。特殊段（即9201、9203工作面搬家甩构造，顶板垮落不充分段）采用水压预裂的方式将采空区与10202工作面的应力传播途径切断，确保掘进期间巷道稳定。巷道掘进期间严抓工程质量，保证煤柱宽度。

综上所述，10202工作面掘进期间，发生危险性的概率极小，对于安全生产不会造成不必要的危险，故对掘进期间的安全评价总体而言为1级安全的。

4 回采期间危险因素分析与措施

4.1 回采期间危险因素分析

1）水害单元。①上覆含水层及涌水量情况，10202工作面顶板为太原组砂岩裂隙含水层和灰岩岩溶裂隙含水层，主要以3层石灰岩（K2、K3、K4）为含水层，厚度约16.1 m。其中K2灰岩为10号煤层老顶，是其主要充水含水层，掘进期间施工锚索可能会导水；②带压开采情况，本井田奥灰水位标高约531.5～533.2 m，10202工作面局部带压开采，且工作面内存在多处地质构造，有构造导水可能性；③10202工作面两侧分别为10201、10203工作面的采空区，根据10201、10203工作面地质原始记录资料显示，在10201胶带顺槽365～538 m、701～941 m、1 102～1 232 m、1 323～1 651 m存在4处可能积水区域。10203胶带顺槽开口处至188 m、1 040～1 258 m、1 309～1 830 m存在3处可能积水区域。

2）瓦斯及有害气体单元。10202工作面回采期间为负压通风，工作面范围内气压小于2个邻近采空区，同时工作面两侧煤柱受多重应力影响变形会更加明显，裂隙肯定会存在，为此2个邻近采空区内积存的瓦斯及有害气体容易进入工作进回风巷道，造成工作面瓦斯涌出量增大。

3）火灾单元。10202工作面回采期间，两侧煤柱受多重应力影响变形会更加明显，裂隙肯定会存在，裂隙漏风会造成邻近采空区自然发火危险。

4）压力单元。10202工作面两侧均为采空区，现场实践表明，邻近采空区巷道在受本工作面采动影响时，巷道围岩变形剧烈。采动影响阶段，巷道围岩变形与实体煤巷道相比，可达5～10倍，与掘进期间的围岩变形量相比，其变形量也可达到掘进期间围岩变形量的5～10倍左右。9202与10202工作面采用的是联合开采方式，9202工作面超前10202工作面30～50 m，但30～50 m的合理错距是建立在9、10号煤两侧或单侧为实体煤的情况下，对于孤岛工作面是否适用。

4.2 回采期间解决措施

1）水害单元。相邻采空区情况，所有积水位置清楚，预计积水量不多，在掘进期间通过放水基本可以将采空区积水放空。

2）瓦斯及有害气体单元。邻近采空区积存瓦斯浓度低，范围小，且在掘进期间不断释放，为此瓦斯因素可防可控。若出现局部瓦斯涌出较大，采取相关措施：加强气体检查和来源分析，超过正常可控值后可通过合理配风，减少邻近采空区和本工作面采空区瓦斯涌出，与此同时采取对重点区域煤柱裂隙进行注浆和喷浆封闭措施。

3）火灾单元。10202工作面回采期间是负压通风且目前2个邻近采空区经长时间观测，不存在自然发火风险。若产生自然发火征兆可采取及时封闭裂隙和向已封闭区注氮措施。

4）压力单元。通过公式计算方法得出煤柱宽度4～6 m最为合理，同时采取掘进巷道的加强支护和特殊段的水压制裂的手段可将10202工作面回采期间巷道变形量控制在最小。

综上所述，10202工作面回采期间，发生危险性的概率极小，对于安全生产不会造成不必要的危险，故对回采期间的安全评价总体而言为1级安全的。

5 结论

利用极限平衡理论计算得到小煤柱合理留设宽度，在此基础上采用安全评价法，以华苑煤业10202孤岛工作面掘进与回采期间的影响因素为基础，综合考虑生产工艺、巷道布置、机电装备等特点，将安全评价单元划分为水害、瓦斯及有害气体、火灾、压力等4个单元，孤岛工作面小煤柱开采的安全性进行评价与分析，并提出相应的解决措施，研究成果对于孤岛工作面安全生产具有有力的指导作用。