運輸石門上覆保護煤柱的開采技術與實踐分析

郭飛龍

（大同煤礦集團公司忻州窯礦，山西大同037021）

運輸石門上覆保護煤柱的開采技術與實踐分析

郭飛龍

（大同煤礦集團公司忻州窯礦，山西大同037021）

文章介紹了在盤區運輸石門上覆近層間距煤層的工作面布置方法及開采技術，同時對開車期間的礦壓顯現、周期來壓強度、步距進行觀測和總結分析。通過對下伏865軌道及皮帶運輸石門采用U29拱型棚和單體柱的加強支護，實現了安全開采，為類似條件下安全開采大巷上覆煤柱提供借鑒經驗和科學依據，為提高老礦煤炭資源回收率，延長礦井服務年限拓寬了思路，提供了新的方法。

煤礦開采；石門上覆保護煤柱；軌道皮帶延伸巷；皮帶頭硐室

大同煤礦集團忻州窯礦井田位于大同侏羅紀煤田北東部邊緣，主向斜軸最低處。井田本身呈一不對稱向斜構造。目前開采11#，14#，15#層煤。煤層埋藏深度280～370 m。隨著開采年限的不斷增加，現已面臨資源枯竭。在工作面布置條件越來越苛刻的條件下，如何最多的回收煤炭資源成為老礦井當前的重要課題。

本文介紹了在運輸石門上覆近層間距煤層的工作面布置及開采方法，論證了在資源枯竭型礦井條件下，為最大化回收煤炭資源，延長礦井服務年限，所采取的特殊工作面布置及成功開采的可行性與經濟性研究，并為類似的工作面開采提供了科學依據[1-3]。

1 概況

1.1 工作面位置及四鄰情況

本工作面位于忻州窯向斜軸部，大致呈一褶曲構造，工作面西高東低（尾巷高頭巷低）。工作面西鄰8925面（已采），北部和東部為實煤，南部接309集中回風巷、皮帶巷及軌道巷，見圖1。

圖1 西二盤區11#層8900上分層工作面布置圖

煤巖層走向大致為北西及北東向，傾向為北東及南東，煤層特征，見表1。

表1 煤層特征

1.2 地質構造及頂板巖性

工作面內無斷層，但在其東部有一條北西走向11°，南西傾向79°，落差7 m，傾角65°的正斷層。煤層頂底板情況，見表2。

表2 煤層頂底板情況表

1.3 與865軌道延伸巷、865皮帶延伸巷位置關系

工作面位于865軌道延伸巷和865皮帶延伸巷上覆11#煤層，走向均為南北向。與11#煤層底板層間距最大19.3 m，最小14.2 m，平均層間距16.7 m，見圖2。

圖2 工藝巷與865軌道巷對應位置剖面圖

2 研究分析與技術措施

2.1 分析開采過程中可能存在的影響與危害

隨著礦井資源的枯竭，開采深度的加大，工作面的布置條件越來越苛刻，因此工作面開采時礦山壓力顯現會比較大，且下伏865軌道石門和865皮帶石門為東三盤區主要運輸石門，開采時會對其產生一定影響[4]。隨著開采的推進，巷道的壓力峰值區和動壓區也會隨工作面的推進而變化，預計的主要峰值區在工作面切眼位置和停采線位置的煤體處及工作面周期來壓對應位置煤壁煤體處，這些壓力集中地段可能會對下伏的865軌道石門和865皮帶石門產生較大的壓力沖擊。如果巷道變形或跨塌，不僅對礦井生產造成較大影響，更有可能對過往的行人和礦車造成人身危害和設備損壞，因此考慮對其加強支護[5]。

2.2 采取技術措施保證安全生產

1）對應開切眼和停采線前后30 m的865軌道、皮帶延伸巷內，架U29拱型棚進行補強支護，棚間距0.8 m，并對865過渡二部皮帶頭硐室架密集U29拱棚。沿開采方向切眼30 m外，對865軌道巷架間距1 m的U29拱棚支護200米,對865皮帶延伸巷采用單體支柱架11#工字鋼梁支護300 m。整體對865軌道、皮帶延伸巷起到加強支護的作用。

2）開采前沿865軌道延伸巷正上方，在工作面內掘進一條工藝巷，此巷道不僅可以對下伏的865軌道延伸巷起到卸壓作用，而且開采時，當工作面頂板堅硬，兩順槽的放頂孔不能使采空區頂板有效跨落時，在工藝巷內加強放頂孔進行爆破，也可以對下伏865大巷周期來壓產生的壓力進行一定的釋放。

3）在開采前先進行對865軌道、皮帶石門的頂板破碎，風化地段及聯絡巷進行先期支護；在開采期間如果發現巷道內頂板巷道受壓變型，及時對其進行補打錨索、錨桿、掛網架U29拱棚聯合加強支護，以保證運輸石門的安全。

4）開采期間采用的礦壓觀測方法有：

（1）應用YHY60(B)d礦用數字壓力計配合FCH32∕0.2礦用數據采集器，見圖3，進行工作面綜采支架支柱壓力連續觀測，確定工作面的來壓強度及來壓步距。

工作面布置7條測線，在12#，28#，45#，56#，70#，84#，98#支架上安設KBJ-60-Ⅲ-1型圓圖壓力自記儀，后又在11#，55#，97#支架增設三臺KBJ-60III（B）綜采壓力記錄儀，中部為主要觀測線。

圖3 礦用數據采集器圖

（2）應用MCS-400礦用本安型錨桿（索）測力計監測巷道錨桿、錨索動態錨固力，見圖4。

圖4 巷道錨桿、錨索動態錨固力測力計監測圖

（3）應用MCS-400礦用本安型錨桿（索）測力計監測U鋼支架受力狀態。

（4）應用KLD25型頂板離層報警記錄儀，進行底板大巷頂板離層量觀測。

（5）采用十字布點法安設表面位移監測斷面，進行巷道表面位移的觀察，應用KLD25型頂板離層報警記錄儀進行巷道兩幫深部位移動態觀測。

3 開采過程中的礦壓顯現

1）工作面壓力顯現

通過每日檢修班換圓圖記錄紙，進行宏觀狀況統計和觀測綜采工作面頂板活動規律、開采空間圍巖與液壓支架的相互作用關系。

當工作面推進到距切眼30 m時直接頂才開始垮落，進風順槽冒高4.5 m，工作面中部冒高5 m，回風順槽冒高1.5 m。經觀察進風順槽至工作面中部垮落較好，但工作面中部至回風順槽仍然堅硬難冒。

進風順槽推進36.5 m，回風順槽部推進至32 m，工作面從14#架～100#架，古塘頂板大面積塌落，古塘頂板全部和支架頂梁塌齊。

第一次周期來壓，支架平均工作阻力25.8 MPa，距初次來壓39.3 m。當進風順槽推進106.8 m，回風順槽推進至109.1 m，工作面84#～90#支架發生煤體片幫，長10 m，深2 m。

第二次周期來壓，來壓步距36.8 m，平均工作阻力25 MPa。當進風順槽推進156.1 m，回風順槽推進至155.8 m，在回風順槽超前支護10 m靠工作面煤幫側發生兩次沖擊型礦壓顯現，共炸幫長10 m，深2 m。

第三次周期來壓，來壓步距20 m，平均工作阻力26 MPa，此時進風順槽推進163.8 m，回風順槽推進至165.7 m。

此后工作面在割煤過程中，發生煤炮現象增多，工作面采取提高支架初撐力到24 MPa以上，并在回風順槽超前支護30 m范圍內增支兩排單體柱，放慢開采進度每日采3.5 m，最大不超過4 m，較大的緩解了工作面壓力狀況，但仍時有工作面煤壁片幫放炮、回風順槽發生炸幫、片幫狀況。

對應周期來壓位置的865軌道、皮帶石門內通過觀測數據壓力明顯升高，但由于對其進行了架U29拱棚加強支護，所以巷道內沒有明顯變形和損壞，只有少量的零皮和片幫。

2）865軌道運輸石門、皮帶運輸石門顯現情況

開采期間，865軌道、皮帶石門時有小的零皮脫落，但絕大多數都是巷道多年風化后在開采來壓時脫落，不會對巷道正常使用造成影響。

在865皮帶巷內，由于沒法架設統一規格的U29拱棚，只在切眼和停采線前后30 m及過渡二部皮帶頭硐室架U29拱棚。在開采期間皮帶巷在240～360 m處巷道片幫較多，由于巷道已進行單體柱架11#工字鋼梁支護，其對巷道影響程度也不大，不影響皮帶巷的正常運輸與人行通過。

工作面開采期間，在礦壓顯現較大的狀況下，通過架U29拱棚和工藝巷卸壓保證了工作面的正常開采和865軌道運輸石門、865皮帶運輸石門的安全。

4 工作面開采時對下伏巷道的影響規律分析

根據開采經驗及煤巖性特征，綜采工作面采空區周期性成正方形時，工作面壓力的應力集中較大，推測在下部對應的應力集中壓力傳導區域也在此處。

實際通過各種壓力檢測手段得到的觀測數據表明：

（1）工作面頭一次周期來壓過程發生范圍在120～170 m，于工作面長度159 m正方形相吻合。此處工作面壓力增大，支架阻力增大，工作面煤壁片幫嚴重，尾部壓力較大。對應下伏運輸大巷壓力顯現范圍在140～190 m范圍處，此處壓力數據明顯升高，在865軌道巷內有少量的零皮脫落，在865皮帶巷內150～170 m處有少量的巷道片幫，但由于巷道已提前進行加強支護，巷道使用正常，不影響巷道行人、運輸的安全。雖然壓力值明顯增加，但不影響巷道的安全使用。

（2）工作面開采在310～350 m范圍處，對應下伏巷道在330～375 m范圍處，是第二次壓力明顯顯現增高范圍。工作面第三次壓力顯現范圍在480～520 m處，對應下伏巷道在500～530 m處。

由以上實際觀察數據顯現和巷道變形情況可以推斷，當工作面壓力在采空區周期性成較規則的正方形面積時，應力會集中顯現；應力傳導在下部層間距16～20 m范圍內時，應力集中也會相應的超前20～30 m，成一較規則的應力集中顯現區域。

因此，在工作面開采時可以推斷應力發生的集中區域，可按工作面長度來超前進行加強支護范圍，同時對工作面下伏大巷需要加強支護范圍進行加強支護，為礦井安全生產提供重要的理論依據。

5 開采經濟效果和安全性評價

在礦井資源枯竭的情況下多回收煤炭資源38.6萬t，按目前煤價650元∕t計算，可創造經濟價值25 090萬元，除去成本按目前集團公司返礦60元∕t，為我礦多創經濟效益2 316萬元。

此外，通過增加對865軌道運輸石門和865皮帶運輸石門的加強支護投入256萬元，加上在工作面內施工一條工藝巷的投入141萬元，額外投入共計397萬元，遠遠小于利潤，并且有效的保證了工作面的安全生產，尤其是我礦東三盤區11#層和14#層服務的盤區運輸大巷，1∕5產量通過其運輸，安全保護865軌道運輸石門、865皮帶運輸石門尤為重要，同時也解放了我礦田資源枯竭而銜接緊張，并延長了礦井服用年限等諸多困難，因此經濟效果是顯著的[6]。

6 結論

1)掌握開采工作面上覆巖層主要運動規律，礦山壓力活動規律，確定初次來壓和周期來壓步距，進行頂板來壓預測預報，防止頂板事故發生。

2)通過對底板大巷的監測，確定采動影響范圍及支承壓力分布與變化規律，為分析底板大巷的穩定性提供依據。

3)確定錨桿、錨索錨固力變化規律，確定大巷支護方案的可行性。

4)針對工作面及底板大巷檢測出的不安全因素，提出整改措施，保證安全開采和底板大巷的穩定性。

5)為類似工作面支架選型和合理支護參數的確定提供可靠依據。

6)通過開采期間壓力變化等情況改進工作面和順槽的支護保障減少或消除類似工作面沖擊型礦壓的發生，保證人員安全。

7)此工作面在開采期間最大困難在于煤壁片幫嚴重，為類似的情況下如何選用帶護幫支架類型和提高工作面防護提供基礎依據。

[1]張榮立，何國緯.采礦工程設計手冊[M].北京：煤炭工業出版社，2003.

[2]徐永圻.采礦學[M].徐州：中國礦業大學出版社，2003.

[3]錢鳴高,劉聽成.礦山壓力及其控制（修訂本）[M].北京：煤炭工業出版社，1991.

[4]劉正和.綜放開采區段煤柱應力分布及其尺寸優化設計研究[J].山西煤炭，2009，29（3）:41-42．

[5]李洪武.綜放開采區段煤柱應力分布及其尺寸優化[J].煤炭科學技術，2008，35（8）:39-41．

[6]劉愛國.綜放工作面回采巷道煤柱應力分析與參數優化[J].煤炭科學技術，2002，30（1）:39-41．

Mining Technology of Haulage Cross-cut Overlying Protecting Coal Pillar and Practice Analysis

GUO Fei-long
(Xinzhouyao Mine of Datong Coal Mine Group Co.Ltd.,Datong Shanxi,037021)

This paper introduces the arrangement and mining technology in the face of haulage cross-cut overlying seam,ob?serves and analyses the coal pressure appearance,perildic pressure strength,and pace.Through strengthening the support for underly?ing track 865 and belt haulage cross-cut by U29 arch set and monomer column,it realizes the safe production,provides experience and reference for mining in similiar conditions,and gives new methods for raising the resource recovery rateand prolong the length of ser?vice.

mining;cross-cut overlying protecting coal pillar;track belt extension roadway;belt end chamber

G807.4

A

1674-0874(2014)04-0065-04

2014-04-26

郭飛龍（1986-），山西大同人，碩士，助理工程師,研究方向：采礦工程技術。

〔責任編輯 石白云〕