矿井煤柱回收关键技术的研究

高成良

(西山煤电股份德威矿业管理有限公司，山西 吕梁 033000)

山西地区多数矿井采用的是房式开采，因不采煤柱，使得煤炭资源严重浪费，且井下滞留的煤炭在氧化过程中易自燃，而造成环境污染，所以，煤柱回收问题亟待解决。

回收煤柱因工作面四周不全是实体煤，支架及工作面超前煤柱的稳定性具有安全隐患，如何保证二者的稳定性是煤柱回收的关键，经过研究及实地考察，认为采取让压煤柱和采场支护相结合，同时加强超前支护进行煤柱的回收是目前最有效的方法［1］。

1 煤柱强度分析

研究煤柱回收的前提是对影响煤柱强度的因素进行分析。由节理或裂隙切割成独立的、互相排列与咬合的煤块组成的煤体，具有不连续性的特点，这就是所谓的结构面［2］。煤体与煤块因煤体中存在结构面使得二者力学性能存在较大差异。有时结构面甚至可以完全决定煤柱强度。除结构面外，煤的性质、煤柱围压及宽高比也对煤柱强度有影响。

1)煤的性质。

煤的性质方面影响强度的因素较多，包括矿物程度、密度、颗粒粗细等，即使同一种煤强度也不同，一般情况下，强度与煤的密度成正比。

2)煤柱中的结构面。

结构面造成煤柱强度的各向异性和强度降低。试验发现，层状煤在受到来自不同角度的单向压缩时，随着夹角的变化极限强度也发生改变，并且垂直层理方向的抗压、抗剪强度大于平行层理方向加载时的相应强度，而抗拉强度则小于平行于层理的抗拉强度，极坐标中加载方向与结构面夹角变化引起煤体强度变化的曲线示意图见图1。

图1 极坐标中煤体强度变化的曲线示意图

由图1可知，当加载方向与结构面的夹角η=0时，煤柱强度与煤块强度等同，即强度变化曲线中的最大值σmax。在η=η1～η2范围内，η越接近45°+φ/2，煤柱强度受结构面影响越大;当 η=45°+φ/2时，剪切面正好与结构面重合，此时，煤柱结构面产生剪切破坏，其强度就是结构面强度，即曲线中的最小值σmin;当η=90°时，破坏强度介于σmin和σmax之间，即为平行于结构面受载的强度。

3)煤柱宽高比对强度的影响。

作为影响稳定性的一个关键因素，依据经验数据与研究成果可知，煤柱强度与其宽高比变化一致。煤柱强度与宽高比之间的关系图见图2。

图2 煤柱强度与宽高比之间的关系图

由图2可知，在比值较小时，宽高比与强度几乎成正比，变化较大。这是因为煤柱与顶底板相互作用产生的端面约束影响范围较大，当煤柱宽高比达到8时，若持续增加则煤柱强度基本不再增大。

煤柱压缩变形与宽高比之间的关系见图3。

图3 煤柱压缩变形与宽高比之间的关系图

由图3可知，煤柱压缩变形变化也是随着煤柱宽高比增大而增大。同样，当比值达到8以上时，煤柱压缩变形量也几乎不变，其变形量不超过10 mm/m。

2 让压煤柱的定义及其作用

2.1 让压煤柱

回收煤柱时，在工作面后方预留的一定量的小煤柱，即为让压煤柱。在工作面推进时，这种煤柱因顶板作用力过大而被迫损坏，但是在这个过程中，会产生一定的抵抗力而最终保持稳定。其作用曲线见图4。

由图4可知，煤柱虽然变形大，但仍能保持一定的支撑力。这样可以利用支撑力使得煤柱回收工作面更加安全。工作面推进后，随着顶板压力的增大，这种煤柱会自动破坏、填埋到采空区中。煤柱大小可根据理论研究和现场实践进行留设。

图4 岩石全应力应变曲线图

2.2 让压煤柱的作用

预留的让压煤柱降低了回收煤柱的危险，其作用主要有以下3点:

1)让压煤柱可以暂时支撑顶板，为支架的搬移留出时间。

2)因顶板的运动在回收煤柱时具有不稳定性、随机的特点，所以应对这一过程进行监测，而留下的让压煤柱不仅可以监测顶板的位移量，还可以作为信号柱来预测顶板的来压。

3)让压煤柱可以延缓基本顶的回转，避免采场超前煤柱因受剪力过大而破坏，保证采场的安全［3］。

3 煤柱回收采场的支护

3.1 液压支架的选型要求

根据经验和矿井实际情况，煤柱回收使用的支架应考虑以下几点:

1)支架具有和井下煤柱相匹配的高度。

2)支架应具有较大的初撑力及支护强度。

3)支架的初撑力与工作阻力需保持合理关系。

4)支架需有较强承受水平推力及侧向力的能力。

预留煤柱四周不是实体煤，承受水平推力的能力差。所以，所选支架应具有较强的承受水平推力及侧向力的能力。当煤层倾角较大时，还应加强支架的横向防倒防滑能力，以保证综放工作面正常生产。

3.2 采场支护方式

回收四周均已成自由空间的煤柱，要考虑煤柱的受压，如果煤柱受力超过其抗压强度就会破坏。除此之外，还应考虑老顶回转的影响，老顶回转使得煤柱受剪力，剪力过大也会影响煤柱的稳定。

以平舒矿实际情况为例，对井下预留煤柱回收中，采用加大支护强度和留设小煤柱的方法，煤柱顺利实现了回收。

平舒矿11062工作面煤柱回收中，同时回收3个煤柱，见图5。经过实际跟踪，工作面长52 m，支架跨度为2.2 m，经计算可知:上下端头所用21架支架，工作面采场的超前支护需要30架，回采工作面需要23架。超前煤柱被采动影响的范围是40 m。所以，必须维护采场走向上的3个煤柱。

图5 回收1、2、3号煤柱之前采场支护系统图

对标注的煤柱利用深孔爆破法在支架支护好后，进行回采，根据平舒矿的情况，在沿让压煤柱走向留余2 m，可以满足要求。三煤柱回收后的工作面布置见图6。

图6 回收1、2、3号煤柱后采场支护系统图

回收完1、2、3号煤柱后，在进行移架时，要做好保护所有煤柱的准备工作，之后再对4、5、6号煤柱进行下一轮的回采。液压支架移设完后的状态见图7。

图7 回收4、5、6号煤柱之前采场支护系统图

煤柱回收过程中不但要做好矿压的观测及来压前的准备工作，还要让煤柱回收后令顶板自由垮落。若顶板悬顶跨距过大，需强制对顶板进行放顶。

4 煤柱回收方法

4.1 深孔爆破落煤

在井下巷道的上下平巷及平行采面的煤壁上钻出一个或一组与采面长度相等的深孔，实现同时爆落的方法，即为深孔爆破采煤法［4］。采用深孔爆破回收煤柱，在单个的煤柱上、下平巷内打眼、装药和爆破，可降低工作面打眼的危险性。

平舒矿煤柱的钻孔采用的是调用定向导轨的轻型钻机，保证其钻孔方位。将导引药包和爆索的尼龙绳由煤柱的一侧引至另一侧。爆轰波将通过导爆索通向炮孔深处，瞬间完成整个采面深孔的爆破。

在爆破实践中发现存在以下3点关键:1)在爆破中如果装药量与管道不耦合将产生管道效应。2)爆破参数确定的合理与否将影响爆破的经济效益好坏。3)要选择好适用于回采作业条件的钻孔机。

4.2 深孔爆破中管道效应

采用深孔爆破，因钻孔过程、药卷制造过程等多方面因素，会使药卷与炮眼孔壁之间存在间隙，如果装药的长度大于临界值，有很大几率会发生爆轰中断现象，这种现象称为管道效应。

管道效应的存在，使爆药的传播不能顺利进行，过程不稳定，这样便不能充分利用爆炸能量来破碎岩石，降低了爆破效果。

通过试验和冲击波理论可以证明管道效应的存在，根据爆破机理的试验结果，可得出以下几点结论:

1)管道效应的表现复杂多样，并不只是某些炸药中途熄爆。

2)装药直径、管壁的厚度与粗糙度、炸药品种以及径向气隙厚度决定着超前空气冲击波的产生。

3)管道效应具有普遍性，试验过的炸药在特定条件下几乎都存在。

现阶段主要采用增大装药直径、加阻塞圈和研制新型炸药等方法来克服管道效应。对于20 m以下的深孔效果良好，但深度较长时便不易操作，平舒矿利用提高爆速的方法克服管道效应，应用后发现，爆破效果良好，几乎克服了管道效应。

5 结语

1)煤柱强度及煤柱压缩变形变化随着煤柱宽高比的增大而增大，当比值达到8以上时，煤柱强度、煤柱压缩变形量几乎不变。

2)利用让压煤柱进行煤柱回收，不仅保证了支架移动的时间，而且避免了煤柱的剪坏。

3)采用深孔爆破降低了工作面打眼的危险性，爆破中产生的管道效应利用提高爆速的方法可以解决。

［1］张天然，魏栋梁，王悦勇.煤柱回收可行性分析［J］.中国矿业，2010(06):82－84.

［2］高岩法.矿山岩体力学［M］.徐州:中国矿业大学，2002:35－40.

［3］李敬民，张忠敏，郑秋生.采区下山煤柱回收方法的研究与应用［J］.华北科技学院学报，2003(01):23－25.

［4］刘进晓，翟德元.房柱式开采体系煤柱回收关键技术研究［M］.山东:山东科技大学，2006:55－56.