小煤柱開采在瑞德二礦的應用及分析

李勇 孟慶峰 曹保國 田智 王傳勇 劉存立 田志強

摘 ?要：通過對小煤柱在瑞德二礦的實際應用技術(shù)分析，通過先進的科技手段對各個環(huán)節(jié)進行科學地計算，為以后的小煤柱開采提供科學的理論依據(jù)，進而尋找小煤柱開采的適用條件。

關(guān)鍵詞：煤礦，小煤柱開采，綜采

對于瑞德二礦來講，一直以來，工作面的煤柱的留設(shè)寬度均為15m，這對于本來就缺少煤炭資源的瑞德二礦來講是巨大的浪費。為了提高煤炭資源回收率，根據(jù)瑞德二礦具體工程地質(zhì)條件，通過對小煤柱沿空掘巷頂板控制和開采技術(shù)的研究，我礦在工面布置上進行了小煤柱開采探討，改善礦井生產(chǎn)安全狀況，實現(xiàn)瑞德二礦小煤柱沿空掘巷的成功實踐。

一、礦井概況

瑞德二礦位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市準格爾旗境內(nèi)，行政區(qū)劃隸屬準格爾旗納日松鎮(zhèn)。沙—羊公路（沙圪堵鎮(zhèn)—納日松鎮(zhèn)）和曹羊公路（曹家石灣—納日松鎮(zhèn)）在井田西北部由北向南通過（均為3級柏油路面），準東（準格爾—東勝）鐵路從井田以北通過，距井田直線距離約30km。交通十分方便。

瑞德二礦2013年12月7日整合而成，設(shè)計生產(chǎn)能力60萬噸/年，為合法生產(chǎn)礦井。井田內(nèi)共含3個煤組，6層煤，即4-2、5-1上、5-1、5-1下、6-2、6-2下煤層，煤種為不粘煤。發(fā)熱量在7000大卡，礦井屬于低瓦斯礦井。

工作面煤層結(jié)構(gòu)簡單，屬單斜構(gòu)造。頂板巖性主要為砂質(zhì)泥巖和細粒砂巖，底板巖性主要為砂質(zhì)泥巖。地質(zhì)構(gòu)造簡單、煤層賦存穩(wěn)定，工作面范圍內(nèi)頂、底板巖層無斷層、無褶曲。工作面狀況適合機械化開采。

二、技術(shù)路線

小煤柱尺寸的選擇

1、不同穩(wěn)定條件的應力集中系數(shù)

影響巷道兩幫破壞范圍的主要因素有兩幫的物理力學性質(zhì)、埋深、巷道的服務時間及受采動影響的程度，其中采動應力影響的表達是極其困難也是至關(guān)重要的，一般可用受采動應力影響的集中系數(shù)來反映受采動影響的程度。

國內(nèi)外學者對采動應力集中系數(shù)作了大量研究，如美國提出采動應力集中系數(shù)K=1.5?2.5;我國研究了單一工作面開采時，與工作面不同距離的煤壁前方應力集中系數(shù)變化如圖所示。

2、巷道圍巖的應力集中

巷幫煤層集中應力最大值幾乎均發(fā)生在中間層位，巷道應力集中系數(shù)在2?2.5之間，沒有明顯的差異。

（1）半煤巖巷圍巖應力集中特點

煤層位于巷幫中央位置的結(jié)構(gòu)形式，其平均應力集中程度較輕微，塑性區(qū)范圍也最小，這種結(jié)構(gòu)的圍巖集中應力的最大值易發(fā)生在中央煤層的軟弱煤層上，但其數(shù)值在三類圍巖結(jié)構(gòu)中是最小的。I、III類圍巖結(jié)構(gòu)計算結(jié)果表明，煤層位置的應力集中系數(shù)最大值 K在所有煤層所處的巷道層位中基本上是最小的。這說明，軟弱煤層結(jié)構(gòu)的存在，削弱了巷道圍巖的應力集中程度，減小了集中應力的影響范圍，實質(zhì)上是起到了卸壓的效果，其中煤層居于巷幫中央位置的結(jié)構(gòu)形式的應力狀態(tài)最佳。

（2）沿空掘巷圍巖應力狀態(tài)的不對稱性

沿空掘巷實體煤側(cè)比煤柱側(cè)的應力集中程度高出許多，這是因為相鄰采空區(qū)上覆巖層的活動己趨于穩(wěn)定，沿空掘巷只是移走了已遭相鄰區(qū)段采空區(qū)支撐壓力破壞的煤體，致使小煤柱側(cè)應力集中程度很小，且圍巖塑性區(qū)擴展范圍比較小。

3、煤柱的確定

護巷煤柱尺寸大小決定巷道是否承受側(cè)向支承壓力及其大小。由于側(cè)向支承壓力會引起巷道強烈變形，所以護巷煤柱尺寸是影響受采動影響回采巷道頂板圍巖穩(wěn)定性的一個重要因素。

4、煤柱尺寸留設(shè)的確定

根據(jù)礦壓理論研究，當煤柱時尺寸較小時，沿空掘巷圍巖的變形值相比較來說比較大，但應力集中或者說處于高應力的煤柱范圍較小，這對于工作面回采時的巷道穩(wěn)定有利;而采用相對較大煤柱方案時，在開采前期，圍巖變形較小，但是隨著開采的不斷向前推進，由于巷道兩側(cè)的應力集中程度不斷加大，煤柱和煤幫都處于較高應力水平狀態(tài)，致使巷道的兩幫和底板的變形速率加大，這不利于巷道較長時間的穩(wěn)定。

因此，瑞德二礦煤礦采用沿采空區(qū)布置5m的煤柱進行開采，這樣，即能采出足夠的煤炭資源量，提高回采率，又能在服務年限之內(nèi)能保證巷道的穩(wěn)定，滿足生產(chǎn)要求。

三、小煤柱開采優(yōu)點

1、區(qū)段間采用小煤柱布置從地應力上分析：無煤柱、小煤柱布置的回風順槽剛好避開了外應力場集中的位置，巷道壓力小，變形小，有利于支護。另外，小煤柱布置能適應所有頂板條件，也解決了沿空留巷遇到頂板破碎管理難度大的問題。

2、區(qū)段間采用小煤柱開采對治理煤與瓦斯突出好處：無煤柱、小煤柱后，對上下鄰近煤層的煤與瓦斯突出治理工作將大為降低。

3、區(qū)段間采用小煤柱布置順槽從瓦斯治理上分析：無煤柱、小煤柱布置的回風順槽掘進過程中基本是已消突，瓦斯已得到了充分釋放，將大大降低瓦斯治理的成本。

4、區(qū)段間采用小煤柱布置順槽從資源利用上分析：很顯然，無煤柱、小煤柱開采煤炭資源的利用率是最高的。

四、效果分析

瑞德二礦在4203進行了實踐，留5米的小煤柱，推采過程中沒有什么不利影響，回采結(jié)束后可多采約 9萬噸煤，按目前售價算創(chuàng)收了：9萬X 300元/噸=2700萬元，瑞德二礦煤炭資源本來就少，如該項技術(shù)在以后推廣，將產(chǎn)生很好的經(jīng)濟和社會效益，同時延長了礦井的生產(chǎn)壽命。

五、小煤柱開采的建議

1、在有上部采空區(qū)有老空水的情況下煤柱留5米較好，如沒有老空水的情況下可留3米。

2、采區(qū)回采順序可采取跳采的方式進行，在采空區(qū)頂板跨落穩(wěn)定后方可沿采空區(qū)邊掘進。

3、避免在正在回采的工作面邊掘小煤柱巷道，因為在推采的動壓下沿空掘的巷道抗不住礦山壓力的應力集中破壞。

4、巷道支護按正常的支護方式既可，不必進行增加支護。