留設(shè)窄煤柱沿空掘巷布置殘采面回收三角煤

孫湘軍

(新疆焦煤集團一九三〇煤礦，新疆 烏魯木齊 830025)

一九三〇煤礦是新疆焦煤(集團)有限責(zé)任公司原煤生產(chǎn)骨干礦井，礦井設(shè)計生產(chǎn)能力為60萬t/年，核定生產(chǎn)能力為81萬t/年，主采煤種為肥煤，是煉鋼的主要配煤之一。隨著鋼鐵工業(yè)的發(fā)展對肥煤需求量更大。一九三〇煤礦井田范圍內(nèi)地質(zhì)條件較復(fù)雜，因受F4－2斷層影響，礦井采區(qū)內(nèi)各工作面走向長度均不足1 000m，綜采工作面每年要進行多次搬家，礦井采掘接續(xù)較緊張，嚴重制約了礦井年生產(chǎn)能力的提升。礦井于1988年投產(chǎn)至今，隨著煤炭資源的歷年開采，一九三〇煤礦這樣的老礦井，焦煤資源量越來越少，而以往技術(shù)條件差，工作面留設(shè)煤柱過大，造成資源量的浪費和損失?？紤]到回采正規(guī)工作面過程中將上部采空區(qū)煤柱一起采出，在保證安全的條件下提高資源回收率，同時又延長了工作面的服務(wù)年限，并能緩解礦井采掘接續(xù)緊張的局面。

1 工作面概況

礦井現(xiàn)回采的36211工作面布置在二采區(qū)東翼+1 870～+1 800 m水平6#煤層中，工作面長度150 m，傾角20°～26°。上水平2611采空區(qū)已于2004年回采封閉。上述兩個工作面在布置回采面時因受F4－2斷層影響，同時為了保證工作面等長，期間留有一塊三角煤。見圖1。

圖1 工作面布置示意圖

36211工作面回采至剩余300 m時與上水平2611采空區(qū)之間留有煤柱寬度最短24 m，最長36 m，此段煤層傾角平均25°，煤層平均厚度3．4 m，煤柱走向長度為301 m。

1．1 地質(zhì)基本情況

受F4－2斷層的影響，二采區(qū)6#煤層局部巷道頂板有破碎、脫層現(xiàn)象;煤層賦存比較穩(wěn)定;煤層頂板有淋水，底板有滲水。上部采空區(qū)可能存在積水。

1．2 頂、底板巖性特征

6#煤層直接頂板為含礫粗砂巖，比重 2．69 g/cm3，天然容重 2．6 ～2．62 g/cm3，含水率 0．50%，孔隙率2．6% ～3．35%，飽和狀態(tài)下單向抗壓強度19．4 MPa，天然狀態(tài)下單向抗拉強度 2．9 ～7．0 MPa，天然狀態(tài)下抗剪強度13．7 MPa，軟化系數(shù)0．48～0．72;直接底板為粉砂巖，比重2．67 ～2．78 g/cm3，天然容重 2．59 ～ 2．74 g/cm3，含水率 0．69%，孔隙率1．44% ～3．00%，飽和狀態(tài)下單向抗壓強度 18．1 MPa，天然狀態(tài)下單向抗拉強度 4．0 ～7．6 MPa，天然狀態(tài)下抗剪強度9．5 MPa，軟化系數(shù) 0．44 ～0．76。頂?shù)装鍨椴环€(wěn)定底板，煤層圍巖多為粗砂巖、粉砂巖，結(jié)構(gòu)面為層理面，次為局部地段的節(jié)理及裂隙。

2 施工前期準備工作

2．1 方案比較

方案一：無煤柱護巷，啟封密閉，維修上區(qū)段采空區(qū)運輸巷，無煤柱護巷存在巷道通風(fēng)、維修、上區(qū)段采空區(qū)的矸石和積水，維修費用高等問題。

方案二：沿采空區(qū)留小煤柱，布置一條巷道，沿空掘巷與相同地質(zhì)條件下用無煤柱護巷相比，巷道掘進較為困難，從安全角度考慮和經(jīng)濟效益對比分析，留小煤柱掘巷為最佳選擇。

2．2 采空區(qū)有害氣體情況

啟封密閉，查看采空區(qū)有害氣體情況及采空區(qū)頂板跨落情況，經(jīng)過對采空區(qū)1周的瓦斯和二氧化碳等其他有害氣體的監(jiān)測，屬于正常范圍值，沒有發(fā)現(xiàn)異常，采空區(qū)充分充填。

2．3 探放采空區(qū)積水

采空區(qū)積水對下區(qū)段回采造成極大威脅，必須采取措施對采空區(qū)積水進行探放。該礦井生產(chǎn)歷史較長，加上原始資料短缺，資料收集不全，現(xiàn)根據(jù)采空區(qū)積水量的估計公式(參考《采礦工程設(shè)計手冊》)：

采空區(qū)積水量：

式中：

W—老空積水量，m3;

M—采厚，m;

a—老空走向長度，m;

h—老窯老空垂高，m;

α—煤層傾角;

K—老空的充水系數(shù)，一般采空區(qū)取0．3～0．5，煤巷取0．5 ～0．8，巖巷取0．8 ～1．0。

計算得出采空區(qū)內(nèi)總積水量8 989 m3。

經(jīng)過充分準備，施工一個探水鉆孔，鉆孔長度33 m，鉆孔仰角25°，方位角351°開孔直徑108 mm，安裝套管，用套管控制放水管，然后用直徑75 mm的鉆頭，鉆透采空區(qū)，將采空積水放出，取得良好效果，解決了采空區(qū)水患。

為了保證探放水安全，應(yīng)注意以下事項：

1)堅持“有掘必探，先探后掘”的原則，掘進過程中利用ZY－750D鉆機及礦井全方位探測儀做好工作面水情觀測和有害氣體情況。

2)鉆孔放水前必須估計積水量，能控制放水流量。

3)放水時，必須設(shè)專人監(jiān)測鉆孔出水情況，測定水量，做好記錄，若水量突然變化，必須及時處理。

3 窄煤柱的留設(shè)

為了避免固定支承壓力或殘余支承壓力對巷道的影響，減少巷道圍巖移近量，使巷道保持穩(wěn)定，提高煤炭采出率，沿空掘巷煤柱寬度應(yīng)盡可能小。分析區(qū)段護巷煤柱分別留設(shè) 3 m、5 m、10 m、15 m、20 m，煤柱支撐壓力分布情況和巷道圍巖變形破壞特點，根據(jù)煤巷兩幫煤體應(yīng)力和極限平衡理論，最小護巷煤柱寬度：

式中：

B—最小護巷煤柱寬度;

X1—錨桿錨入煤體的深度，m，取1．5;

X2—上區(qū)段在煤柱中產(chǎn)生的塑性區(qū)寬度，m，取 1．5;

X3—安全系數(shù)，取 0．5。

因此，新掘巷道與上區(qū)段采空區(qū)之間留設(shè)3．5 m煤柱。

經(jīng)過計算分析，當煤柱留設(shè)3．5 m時，已在采空區(qū)邊緣煤體圍巖應(yīng)力的降低區(qū)，避開了傾向支承壓力峰值影響范圍，將巷道布置在低應(yīng)力區(qū)。支護載荷小，巷道易于維護。掘進過程中無明顯壓力，不需要進行大的維修。

4 支護方式及支護參數(shù)的確定

4．1 利用錨網(wǎng)索支護兩幫和頂板

利用錨桿與圍巖共同作用，達到維護巷道穩(wěn)定的目的。因此，錨桿支護起到了主動加固圍巖的作用。使用錨桿支護時其作用是利用錨桿對頂板起懸吊作用，不讓其冒落。巷道兩幫和巷道頂板采用錨網(wǎng)支護，頂板局部有破碎，采用錨索梁支護。

4．2 錨桿計算參數(shù)

1)錨桿長度計算。

錨桿長度：

式中：

N—圍巖影響系數(shù)，取1;

n—為巷道跨度，m，取 3．2。

L=1．6 m。

2)錨桿直徑。

錨桿直徑：

取d16 mm圓鋼作為錨桿制作的基本原料。

3)頂部錨桿間、排距的確定。

d16 mm圓鋼抗強度為45 kg/mm2，巖石密度2 200 kg/m3。

錨桿采用矩形布置，取間排距為：1．0m×1．2m，可以滿足要求。

4．3 錨索計算參數(shù)

4．3．1 錨索長度確定：

式中：

La—錨索長度，m;

La1—錨索外露長度，m，取 0．3;

La2—錨索有效長度;

La3—錨索錨固長度，每孔裝4根Z2335樹脂藥卷，故取1．4 m。

4．3．2 錨索有效長度確定

式中：

hi—穩(wěn)定巖層下各層厚度，m;

錨索長度確定為：

錨索長度取3．2 m，巷道內(nèi)每排布置1根錨索，錨索間排距為2．4 m。一字梁長為0．8 m，采用縱向布置的方式。

4．4 支護材料及要求

錨桿材料：d16 mm圓鋼，一端長300 mm加工成反麻花狀，一頭搓絲5 cm。鐵托板采用公司統(tǒng)一購入托板。螺母選用直徑18 mm螺帽。

錨固劑：采用型號為Z3535中速合成樹脂錨固劑，直徑35 mm，長度為350 mm。

托板：金屬托板采用100 mm×100 mm×5 mm的鐵托板，中心孔直徑為18．5 mm，竹托板用竹質(zhì)材料制成，規(guī)格為200 mm×200 mm×20 mm，中心孔直徑為18．5 mm。

螺母：選用d18mm螺母。

錨固方式：采用合成樹脂端頭錨固。

金屬網(wǎng)均選用10#鐵絲編制成的菱形網(wǎng)，網(wǎng)片規(guī)格為3 300 mm×1 500 mm。網(wǎng)片之間必須保證壓接300 mm，并做到每150 mm聯(lián)一扣，用扎絲將網(wǎng)片聯(lián)好。

鋼帶梁：采用d12 mm的圓鋼加工成。

錨網(wǎng)支護嚴格按《錨網(wǎng)支護工程質(zhì)量規(guī)定表》要求執(zhí)行。

4．5 掘進安全措施及施工要求

1)掘進時，安全員進入工作面首先要檢查工作地點頂、幫支護情況，并進行敲幫問頂，不安全不作業(yè)，發(fā)現(xiàn)支護失效及時進行處理。

2)錨桿、錨索布置控制煤幫變形，兩幫錨桿要緊跟迎頭，防止片幫使用錨桿拉力計定期檢測錨桿錨固力，對不合格的錨桿要求重新補打。

3)施工前和施工過程中，對職工進行培訓(xùn)各大災(zāi)害的防治措施。每班對上幫煤體進行瓦斯檢查，最大限度地排除各類隱患。

4)作業(yè)人員在作業(yè)前由帶班隊長和班長負責(zé)組織當班人員進行危險源辨識;作業(yè)人員要針對當班工作內(nèi)容，從人、機、環(huán)、管四個方面進行辨識，并采取相應(yīng)措施進行處理。

5)掘進時，嚴格控制炸藥量，保證掘進面成巷質(zhì)量。

6)施工區(qū)隊專門成立了礦壓觀測小組，每天對設(shè)立的5組兩幫移近量觀測點和6個頂板離層儀進行觀測、記錄、分析。

5 實施效果

巷道掘進完畢形成殘采工作面，通過提前加裝綜采工作面配套設(shè)備，待原工作面推進至該區(qū)域時順利對接回采。通過對該區(qū)域原煤采出量的核定，多采出原煤量5．36 萬 t。

6 結(jié)論

在回收三角煤前期的巷道掘進準備工程中，加強對采空區(qū)有害氣體和采空積水的探放工作，加大了掘進過程中的安全性;通過計算，合理留設(shè)窄煤柱回采，可防止和減少了采空區(qū)瓦斯、積水和壓力對掘進巷道的影響;采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護解決了煤壁片幫，頂板壓力大的難題，提高了掘進進度，支護效果良好。

礦井實施沿空掘巷回采三角煤方案，提高了礦井焦煤資源回收率，延長了礦井的服務(wù)年限，同時也為礦井后期回收其它類似條件下三角煤柱積累了寶貴經(jīng)驗。