杭来湾煤矿保护煤柱优化设计研究

韩鑫儒

(陕西有色榆林煤业有限公司，陕西 榆林 719000)

0 引言

目前《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》是保护煤柱计算和设计的主要依据[1]，由于大部分矿井缺少本矿井的相关岩移参数，对保护煤柱计算参数只能取参考值，这些参数与煤层顶底板岩性、埋藏深度、厚度、倾角、开采方法、采厚、和围岩稳定性等诸多因素有关[2]，不同矿井地质条件和开采条件不尽相同，对保护煤柱的计算缺乏科学性和合理性，实际指导意义并不大[3-6]。保护煤柱的合理留设直接影响煤炭资源的合理开采和利用、矿井的可持续发展、生产服务年限、工作面搬家周期、采掘接续计划和单面煤炭采出量，对矿井经济效益的影响尤为明显[7-8]，保护煤柱的设计在考虑安全性的同时还应当兼顾合理性。因此，矿井应结合实际开采情况，对保护煤柱的合理宽度进行分析和探讨，旨在减小压覆资源和提高矿井经济效益[9]。保护煤柱宽度较大，煤柱损失的资源量相应的增大；保护煤柱宽度较小，开采引起的地表沉陷和裂缝对地表建(构)筑物产生破坏影响[10-12]。

文中以杭来湾煤矿为研究对象，根据以往工作面回采对地表建(构)筑物的影响程度和周边煤矿开采地表沉陷规律，对敬天陵园保护煤柱的合理留设问题进行分析，在不对地面建筑物造成破坏的前提下，选择保护煤柱的合理留设尺寸和工作面切眼位置设计方案。

1 研究实例

敬天陵园位于杭来湾井田301盘区30109工作面和30110工作面切眼上部，受整体搬迁费用高、难度大、协调困难等因素影响，计划在陵园范围留设保护煤柱，并改变原30109工作面和30110工作面切眼位置。陵园内主要保护对象为硬化的水泥路和一座高度约10 m的佛像，这些保护对象对地表沉降的控制要求较低，因此陵园保护煤柱的留设，可以在不引起陵园地面沉陷的前提下，尽可能多的以回收煤炭资源为设计原则。

2 回采工作面地表沉降规律

杭来湾煤矿在地表沉降观测和采煤沉陷治理等方面开展了大量的观测和研究工作，通过在30101、30107、30108工作面成组布设观测线，根据回采进度分别在采前、采中和采后3个阶段进行跟踪观测，掌握了回采工作面地表沉陷边界角、移动角、裂缝角、下沉系数等相关岩移参数，为矿井保护煤柱的留设提供了重要依据。

3个工作面地表沉降观测成果显示，开采引起的地表沉降在工作面顺槽两侧的最大影响范围约为145 m。但根据实际沉降量来看，工作面顺槽60 m范围外，如图1所示，地表累计下沉量小于50 mm，地表倾斜变形i最大=2.85 mm/m<10 mm/m，高度20 m砖或钢筋混凝土烟筒的允许变形值[1]，远远小于地表倾斜变形值，可见工作面回采对地表产生的影响基本可以忽略不计。

图1 30101工作面地表沉降剖面Fig.1 Ground settlement profile of 30101 working face

因此，可以认为回采工作面顺槽以外60 m产生的沉降与开采没有直接联系，工作面开采在顺槽外最大影响范围为60 m，这一数值也可以作为保护煤柱留设的参考值。

3 回采工作面开采影响范围

按照《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》中给出的计算公式，计算出的保护煤柱宽度约为120 m，设计的保护煤柱边界超过30108辅运顺槽，向30108工作面延伸的最长距离为108 m，最短距离为95 m，30108工作面煤柱距离陵园保护边界的煤柱最小宽度为56 m，如图2所示。如果30108工作面按照原保护煤柱划定的范围进行回采，那么30108工作面也需要调整切眼的位置，否则无法正常回采。

图2 保护煤柱范围与30108工作面位置关系Fig.2 Relationship between the range of protective coal pillar and the position of 30108 working face

但是在30108工作面实际开采过程中，距离工作面最近的陵园边界附近未出现明显的塌陷和裂缝，30108工作面开采间接验证了保护煤柱宽度为56 m的情况下，未对陵园产生直接影响，该宽度可以作为保护煤柱设计的参考。

4 周边矿井沉降影响

双山煤矿与杭来湾井田303盘区东翼东南边界相邻，该矿井在杭来湾井田边界外40 m，沿井田边界布置有一个综放工作面，工作面长度2 504 m，宽度266 m，采用综采放顶煤的开采方法，平均采高约为9.0 m，全部垮落法管理顶板。

根据井田边界裂缝观测结果，如图3所示，双山煤矿综放开采的条件下，在工作面顺槽一侧，形成的水平裂缝距杭来湾井田边界的最近距离为18 m，未在杭来湾井田范围内发现较大的裂缝。

图3 双山煤矿地表沉陷示意Fig.3 Surface subsidence diagram of Shuangshan coal mine

因此，在井田边界保护煤柱宽度为40 m的情况下，双山煤矿综放开采未在杭来湾井田内形成裂缝。由此可见，保护煤柱宽度为40 m的情况下，开采未在杭来湾井田范围内产生塌陷裂缝。

5 存在问题及对比评价

5.1 存在问题

30108工作面与陵园保护煤柱最小宽度为62 m的情况下，开采未对陵园造成影响，证明该宽度是安全合理的；30101工作面沉降观测成果显示，回采工作面顺槽外60 m范围，地表的沉陷基本稳定，可见开采不会对工作面顺槽60 m以外的范围产生影响；同时井田边界保护煤柱宽度为40 m的情况下，双山煤矿综放开采未在杭来湾井田内产生塌陷裂缝。

综上所述，矿井设计的保护煤柱(120 m)很大程度上造成了煤炭资源的损失，不利于资源的合理开采与利用，因此，建议缩小原有的保护煤柱宽度，在不对地表建筑物造成破坏的前提下，将保护煤柱宽度控制在30～60 m之间，从而达到既保证资源回收最大化，又实现安全回采的目的。

5.2 对比评价

根据设计保护煤柱(宽度145 m)和建议保护煤柱(宽度70 m)不同，将保护煤柱对30109工作面和30110工作面的影响范围和压覆资源量进行了对比，对比情况见表1。

表1 设计边界和建议边界损失长度与资源量对比Table 1 Comparison of loss resources between designed boundary and recommended boundary

对比和分析设计煤柱和建议煤柱对30109和30110工作面的影响结果显示：建议煤柱和设计煤柱相比，30109工作面和30110工作面长度分别增加了70 m和72 m，相应的30109工作面和30110工作面将分别多采出原煤17万t和18万t，工作面整体增加产值将超亿元。

6 结论

(1)目前设计的陵园保护煤柱在不考虑以后采取其他方法回收资源的情况下(宽度120 m)，造成了较多的资源浪费，可以考虑将保护煤柱宽度控制在60 m的范围内，减小陵园压覆煤量，提高资源收回率。

(2)30108工作面开采未在陵园边界附近造成地表塌陷和道路裂缝，可见30108工作面与陵园边界之间的保护煤柱(最小宽度56 m)是安全合理的。

(3)与原设计煤柱相比，将保护煤柱宽度设为70 m的条件下，30109工作面上分层将多采出原煤17万t，30110工作面上分层将多采出原煤18万t，累计增加产值上亿元，有效地提高了矿井整体效益。