侯甲

摘要：經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，我國(guó)的煤礦開(kāi)采正在從動(dòng)密集型向資本密集型、技術(shù)密集型轉(zhuǎn)變。綠色開(kāi)采、急傾斜、大傾角煤層開(kāi)采、智能化開(kāi)采、深部開(kāi)采將成為未來(lái)煤礦開(kāi)采的必然趨勢(shì)，地表和淺層的資源越來(lái)越少了，勢(shì)必要向深部發(fā)展才能繼續(xù)發(fā)揮產(chǎn)能。保護(hù)煤柱是指專(zhuān)門(mén)留在井下不予采出的，旨在保護(hù)其上方巖層內(nèi)部和地表的保護(hù)對(duì)象不受開(kāi)采影響的那部分煤炭。本研究主要分析了目前深部開(kāi)采所存在的問(wèn)題，并就保護(hù)煤柱的設(shè)計(jì)提出自己的淺見(jiàn)。

關(guān)鍵詞：深部開(kāi)采；保護(hù)煤柱；設(shè)計(jì)

0 引言

保護(hù)煤柱是指專(zhuān)門(mén)留在井下不予采出的、為了保護(hù)其上方巖層內(nèi)部和地表的保護(hù)對(duì)象不受開(kāi)采影響的那部分煤柱。目前深部開(kāi)采保護(hù)煤柱的設(shè)計(jì)主要有幾個(gè)難點(diǎn)，比如控制地壓，保障通風(fēng)排水要求，降低礦石、物料等提升成本等。設(shè)計(jì)者必須切實(shí)考慮地表移動(dòng)變形規(guī)律，在煤層上圈定保護(hù)煤柱的邊界，避開(kāi)該邊界進(jìn)行開(kāi)采。因此，為了保護(hù)結(jié)構(gòu)物免受地下開(kāi)采影響和盡量減少煤炭資源損失，就要設(shè)置合理可靠的保護(hù)煤柱。

1 目前深度開(kāi)采的技術(shù)難點(diǎn)

1.1 維持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性

隨著淺部煤炭資源的逐漸減少甚至枯竭，地下開(kāi)采的深度越來(lái)越大，煤炭開(kāi)采不得不向著深度開(kāi)采方向發(fā)展，煤炭深部開(kāi)采的界限一般指700-1 000m。目前國(guó)內(nèi)外許多煤礦都相繼進(jìn)入深部資源開(kāi)采狀態(tài)，隨著煤炭需求量的增加和開(kāi)采強(qiáng)度的不斷加大，建筑物深部壓煤開(kāi)采問(wèn)題將越來(lái)越突出，但是煤礦進(jìn)入一定的開(kāi)采深度，由于埋深增加，僅就煤巖周邊垂直應(yīng)力說(shuō)來(lái)，面臨著高地應(yīng)力、高地溫、高滲透壓等問(wèn)題，局部煤巖體介質(zhì)達(dá)到塑性屈服限，變形隨時(shí)間增加或遇外界擾動(dòng)因素作用可能出現(xiàn)緩慢變形破壞趨態(tài)和大失穩(wěn)的綜合。所以在開(kāi)采的過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)巷道變形劇烈、礦壓劇烈、瓦斯高度聚積、突水事故幾率增大等災(zāi)害事故。為避免二次支護(hù)和巷道維修，深部巷道應(yīng)采用高預(yù)應(yīng)力、強(qiáng)力錨桿組合支護(hù)，同時(shí)要求支護(hù)系統(tǒng)有足夠的延伸量與沖擊韌性，應(yīng)盡量一次支護(hù)就能有效控制圍巖變形與破壞。隨著煤柱寬度的增加，煤柱內(nèi)塑性區(qū)的范圍逐漸減小，當(dāng)煤柱寬度超過(guò)20 m后，煤柱寬度對(duì)下區(qū)段順槽圍巖變形的影響為下區(qū)段順槽掘進(jìn)及工作而回采期間，各項(xiàng)指標(biāo)值基本不再有大的變化。

1.2 保障通風(fēng)排水條件

隨著礦井開(kāi)采強(qiáng)度的不斷增大，井下局扇功率越來(lái)越大，局扇對(duì)整個(gè)礦井通風(fēng)狀態(tài)的影響不能忽視，這要求仿真系統(tǒng)能夠模擬在井下任意巷道安設(shè)風(fēng)機(jī)、拆除風(fēng)機(jī)、調(diào)整風(fēng)機(jī)葉片角度等功能。礦井局扇不得停風(fēng)，值班礦領(lǐng)導(dǎo)及通風(fēng)技術(shù)員應(yīng)做好礦井通風(fēng)、瓦斯檢查、排水、防火、防盜等管理工作，井下通風(fēng)排水人員入井時(shí)，由地面入井檢身值班人員負(fù)責(zé)檢身登記后同意方能入井，各井口必須派專(zhuān)人進(jìn)行24小時(shí)值班看守，防止無(wú)關(guān)人員進(jìn)入。煤礦開(kāi)采會(huì)造成地表沉降，為了防治和減輕這一問(wèn)題，一般采用充填開(kāi)采、部分開(kāi)采和離層帶注漿等措施減少井下采空體積，為了防止斷層導(dǎo)水通道在高壓奧灰水的沖刷下，進(jìn)一步增大，導(dǎo)致礦井發(fā)生水害災(zāi)變，同時(shí)為了防止斷層導(dǎo)水通道在高壓奧灰水的作用下對(duì)即將掘進(jìn)的工作面造成突水，應(yīng)圍繞煤層區(qū)段巷道保護(hù)煤柱、工作面騎跨采下部巷道合理位置及支護(hù)方式進(jìn)行斷層帶上、下盤(pán)防水煤柱寬度計(jì)算。還應(yīng)該采用礦井通風(fēng)模擬軟件組合，幫助地下礦井設(shè)計(jì)，改進(jìn)和優(yōu)化其通風(fēng)系統(tǒng)，借助先進(jìn)的技術(shù)手段，解決國(guó)內(nèi)礦山行業(yè)通風(fēng)系統(tǒng)調(diào)整方案預(yù)模擬，合理性分析及方案優(yōu)選、火災(zāi)模擬、污染物擴(kuò)散模擬、通風(fēng)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性分析等方面，輔助企業(yè)進(jìn)行通風(fēng)系統(tǒng)管理及中長(zhǎng)期規(guī)劃。

2 如何合理設(shè)計(jì)保護(hù)煤柱

2.1 建立精確的數(shù)學(xué)模型

為了提高保護(hù)煤柱設(shè)計(jì)的效率和精度，必須事先建立起精確的數(shù)學(xué)模型，包括移動(dòng)角的選取，維護(hù)帶的設(shè)計(jì)，受護(hù)邊界以及松散層保護(hù)邊界的確定都要經(jīng)過(guò)詳細(xì)的計(jì)算和校正。過(guò)去保護(hù)煤柱的設(shè)計(jì)主要靠手工計(jì)算和手工作圖，效率低、精度差，對(duì)地質(zhì)和采礦方而的因素考慮也不夠全而，不能提供高質(zhì)量的圖紙。隨著深度增加，巖爆、沖擊地壓、瓦斯爆炸等突變呈非線性增長(zhǎng)，沖擊礦壓發(fā)生的頻率、強(qiáng)度和規(guī)模會(huì)隨之上升，瓦斯含量和瓦斯壓力增加，如果沒(méi)有充分考慮實(shí)際情況而倉(cāng)促確定開(kāi)采方案，極易出現(xiàn)重大安全事故。保護(hù)煤柱的移動(dòng)角指的是在充分采動(dòng)或接近充分采動(dòng)條件下，主斷層面上臨界變形值的點(diǎn)和開(kāi)采邊界的連線與水平線在煤柱一側(cè)所夾的角，傾角較大時(shí)，較容易達(dá)到安全開(kāi)采深度。同一礦區(qū)，基巖移動(dòng)角是個(gè)定值，同一開(kāi)采深度，基巖移動(dòng)角越小，其備用尺寸寬度越大，二者呈指數(shù)關(guān)系。因此，在模型的建立過(guò)程中，不能把移動(dòng)角作為定值，不同深度的生產(chǎn)礦井留設(shè)保護(hù)煤柱的備用尺寸差別很大，如果采用現(xiàn)有的一個(gè)恒定的淺部移動(dòng)角值來(lái)確定保護(hù)煤柱的范圍，留下的煤柱過(guò)多，可能使煤柱尺寸偏大而浪費(fèi)資源，會(huì)影響以后都地下工作和開(kāi)采工作，不符合深部開(kāi)采地表移動(dòng)和變形規(guī)律?？紤]沿走向方向煤柱的各種變化特征，設(shè)計(jì)模型煤層底板厚度和煤層頂板厚度，考慮邊界效應(yīng)及滿足推進(jìn)過(guò)程中礦壓穩(wěn)定距離的要求，采用軟化模型，用預(yù)計(jì)法來(lái)留設(shè)保護(hù)煤柱，根據(jù)保護(hù)建筑物的實(shí)際抗變形能力確定允許變形值，預(yù)算建筑物所處位置的變形值，從而確定保護(hù)煤柱的移動(dòng)角。建立三維巷道模型，通過(guò)導(dǎo)入AutoCAD、Surpac等軟件的數(shù)據(jù)文件或巷道三維節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)文件生成，建立通風(fēng)立體圖，實(shí)現(xiàn)三維模型數(shù)據(jù)的真三維可視化。

2.2 結(jié)合實(shí)際情況綜合考慮設(shè)計(jì)方案

深部煤炭資源開(kāi)采量及開(kāi)采程度取決于實(shí)際技術(shù)水平和礦工作業(yè)安全能力，深度開(kāi)采的前提是要保障作業(yè)安全、經(jīng)濟(jì)合理性、機(jī)械化程度，所以應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況，通過(guò)科技攻關(guān)、提高人員素質(zhì)等措施，綜合設(shè)計(jì)施工方案?？茖W(xué)的巷道位置和一定寬度的保護(hù)煤柱是保證巷道穩(wěn)定性的基礎(chǔ)和前提，由于上覆巖層壓力、巷道上方破碎巖體自重壓力，或其它地應(yīng)力引起的垂直應(yīng)力會(huì)產(chǎn)生巷道頂板下沉、底膨、上幫或下幫變形等情況。因此，應(yīng)沿空巷道在不同階段的應(yīng)力和變形特征確定不同條件下窄煤柱的合理寬度，防止在側(cè)壓力的作用下，支護(hù)拱頂起尖，錨噴巷道則出現(xiàn)拱頂巖石被擠碎成尖，兩幫擠進(jìn)。要嚴(yán)密監(jiān)測(cè)地下水位，設(shè)置防水煤柱，減輕地下水的下降速率，從而減輕地面沉降速率，采用科學(xué)的建筑地基回填技術(shù)，在設(shè)計(jì)建筑場(chǎng)地標(biāo)高時(shí)應(yīng)預(yù)留一定高度增強(qiáng)建筑場(chǎng)地的防洪能力，抵抗不均勻沉降，增強(qiáng)整體剛度和強(qiáng)度等，減輕礦坑疏干排水引起的地面沉降。注漿工程竣工后，開(kāi)挖施工井底煤倉(cāng)繞道，對(duì)整個(gè)注漿段剩余涌水量的實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)，改善受注地層的水文地質(zhì)和工程地質(zhì)條件，避免淹井，保證巷道施工質(zhì)量。同時(shí)監(jiān)管部門(mén)要對(duì)材料的采購(gòu)、驗(yàn)收、賬目核算進(jìn)行檢查，確保施工材料全面符合工程建設(shè)的要求，保證施工質(zhì)量管理的環(huán)境，營(yíng)造文明施工和安全生產(chǎn)的環(huán)境，保證施工承包單位的質(zhì)量管理體系和質(zhì)量控制自檢系統(tǒng)處于良好的狀態(tài)， 避免因設(shè)計(jì)方案考慮不周或施工工藝落后而造成施工進(jìn)度的推遲。

3 結(jié)語(yǔ)

保護(hù)煤柱的尺寸寬度與基巖的移動(dòng)角呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系，而移動(dòng)角的影響因素和礦區(qū)的地質(zhì)采礦條件有關(guān)。因此，為了保護(hù)建筑物，又能獲得更多的煤炭資源，提高礦山的資源回收率，延長(zhǎng)礦井的服務(wù)年限，應(yīng)根據(jù)巖層與地表移動(dòng)規(guī)律和采礦條件，建立預(yù)選函數(shù)和數(shù)學(xué)模型，算出巖層和地表的移動(dòng)、變形，然后根據(jù)實(shí)際情況對(duì)模型做出校正和修改，最后確定實(shí)施方案。

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