低煤层煤柱回采率与顶板和地表沉降研究

2019-09-09李慧

煤矿现代化 2019年6期

李慧

（大同煤矿集团大斗沟煤业公司，山西大同 037000）

0 引言

煤柱的回采意味着地表的沉降，如果煤层深度小于100m，沉降可能大。房柱回采沉陷预测非常复杂，取决于剩下的残余煤柱的大小以及高度和回撤煤柱的状态，与残余柱的强度也有关。残余柱的强度与开挖方法(钻爆法或机械法)有关[1,2]。大同煤矿集团大斗沟煤业公司矿区内的一些整合的小煤矿，采煤方法以前为房柱开采法，其煤柱回采率越高，煤柱变形和顶板位移越大。以此建立顶板沉降预测模型，与实测沉降进行了对比。

1 现场采矿实践和观察

由于矿山的总产量较低，公司研究通过提高煤柱回采率来提高煤炭采收率。在试验过程中进行了多次回采实践的迭代，并将此方法应用于研究矿井。最初，只有一侧煤柱回采了2m深。即回采前煤柱尺寸为7m×7m，回采后柱尺寸为7m×5m。该回采方式的采收率约为65%。图1煤柱（B柱）为公司原回采后煤柱图和现公司改进回采后煤柱A。

公司决定推进更高效的回采应用，挖掘更大体积的煤柱。第一次切割后，从矿柱上再挖出2m×5m的二次切割，将矿柱尺寸减小到只有5m×5m（图1 A矿柱），改进后面板的全部采收率提高到75%～80%。

图1 原回采后煤柱图B和现改进回采煤柱图A

图2 工作面板爆破区和监测点

图2 为改进后面板和监测点位置。实施爆破后柱子的最终形状不是方形，这是由爆破过程失控造成。图2为变形后柱子的最终形状A和开采阶段柱的形状B。煤柱面积变化较大16～33m2之间，预计目标面积为25m2。爆破后平均柱面积为23.27m2，标准差为4.88m2。每根柱子的最终形状和强度也是不同的。爆破作业对煤柱完整性的另一影响为：在爆破过程中，部分激波仍留在煤柱内，导致削弱剩余的支柱强度。

图3实际顶板沉降监测值

图3 为沉降区域的收敛监测。当工作面位于T36时，工作面后5～6排柱子开始挤压，顶板沉降速度快，沉降量变大，如图3（a）所示。失效的迹象是煤柱开始破裂。挤压发生的非常快，之后顶板沉降率下降，最终在两个月内稳定下来，如图3（b）所示。在煤柱破坏过程中，对地表面沉降进行了监测。三个月后沉降达到平衡（如图4所示）。

图4 实际测量地表沉降值

2 支柱力量

采用Mark and Chase 2013年研究的煤柱稳定性（ARMPS）软件设计工具分析设计煤柱，煤层强度输入为6.5MPa[2]。煤层强度采用Satyanarayana I等人提出的反向分析方法。在Satyanarayana I等人的研究中，在145m的覆岩层深度下，采用高1.3m的5m×5m方柱进行面板试验。在这次测试中，柱子没有失效。据此估算煤体强度为6.5MPa[3,4]。

在本文重点研究的面板中，开发柱为7m×7m，剩余柱为5m×5m。Satyanarayana I等人进行的面板试验与公司改进回采煤柱面板试验的区别是：改进后的5m×5m煤柱是由煤柱两侧的两组连续爆破而产生的结果（图1中A煤柱）。

采用与ARMPS相同的反向分析方法，必须降低柱的强度，才能发生煤柱破坏。由于煤柱尺寸确实发生了变化，导致煤柱强度发生变化。表1显示了由ARMPS估计的各柱的安全系数（SF）及爆破后的煤柱强度，省略一部分数据。

7m×7m计算开采煤柱和两个计划的回采煤柱尺寸的SF：两个削减为（7m×5m）和两个削减为（5m×5m）的回采煤柱。对于这些估计，使用较低的煤强度5MPa与原假设6.5MPa，见表2。

表1 各煤柱回采后SF值

表2 不同煤柱尺寸、不同煤柱强度的安全系数

3 沉降模拟

根据研究人员所描述的经验方法，顶板与底板完全汇合的情况下，地表最大下沉量为顶板下降高度的80%[1]。然而，煤柱限制了顶板的运动，降低了顶板的总沉降量。从图3可以看出，顶板最大沉降点约为40cm，是原始柱高1.3m的30.7%，根据经验方法预测地表最大沉降是32cm，比实际地表测量值19.5cm大12.5cm。