小煤柱开采技术应用分析

2022-08-08陈建伟

当代化工研究 2022年14期

＊陈建伟

（晋能控股煤业集团马道头煤业公司山西 037100）

引言

现阶段，小煤柱开采技术在我国煤矿采掘过程中应用范围较广，其能够有效改善在动工环节中开采深度持续深入、一次开采高度的持续增加以及采掘速度持续加快所带来的相对严峻的矿山压力形势。小煤柱开采技术应用实质上是通过对煤矿采掘工作面进行实地勘测，经过对所获取开采过后工作面的顶底板移近量、小煤柱变形量加以分析，将小煤柱安设工作面回风巷侧能够进一步强化围岩控制成效，对于区域工作面的完整程度具有维护作用，从根本上确保了煤炭的开采率，也在很大程度上延长了矿井的服务年限，为煤矿企业经济效益获取提供了坚实保障。

1.小煤柱开采技术应用原理

（1）从顶板应力分布的特征分析，随着煤矿回采面的持续深入推进，其覆盖岩层点顶板应力也在不断地变化和更新，顶板中生成的约束条件朝着两侧方嵌固形态转变，与此同时，弯矩还朝向两侧煤壁方向不断延伸，以至于从顶板到煤壁嵌固的区域出现了断裂的现象。顶板应力还会因为和煤壁之间的距离不断扩大，进而带来了负指数变化情况，在这个时候，如果煤壁受到的应力作用要大过其所能承受的抗压限度时，会给煤壁边界带来较为严重的破坏，促使应力逐渐转向深度部位，造成顶板两个侧方煤体形成断裂现象。以断裂线作为间隔分界线所构建而成的两个应力区，即煤壁边界和断裂线所形成的低应力区、断裂线外部区域所形成的高应力区[1]。

（2）煤柱宽度调整变化与围岩变形程度之间的关系分析。通常情况下而言，煤层巷道中所留设煤柱本身的宽度和围岩本身的变形程度的连接关系是对煤柱稳定性能进行综合考量的关键标识之一。按照以往作业过程中实际勘测的数值参数的结果显示：巷道围岩的变形程度和护巷煤柱设置的宽度，这两者之间的关系可从图1中直观分析得到其呈现出单一化、接近对称形态的一条曲线，由此也能够得出结论：随着持续加大留存煤柱的宽度，在此过程中其与围岩变形产生的关系可进一步划分为三个时期：其一，从A-B-C这一个峰值段，是围岩变形最为明显的一个时期；其二，C-D则是逐渐衰减的时期，在这个时候伴随着煤柱留设宽度不断加大，围岩变形情况明显缓解；其三，D-E两者间形成一个稳定的时期，在这个时候伴随着留设煤柱的宽度加大，围岩变形程度逐渐减少并趋向稳定。因而，为能够实现煤矿生产企业经济效益的最大化获取和保证煤矿开采活动的安全、有序的推进，最好的方法就是将留设煤柱的宽度设置在B点左侧。

图1 围岩变形同煤柱留设宽度示意图

（3）对煤柱的宽度参数进行计算。需要按照预留设置的煤柱宽度和围岩自身的变形情况形成的关系变化来制定合理的宽度范围，这可以通过对支撑压力具体分布的情况来精准定位。按照对巷道围岩应力的实际情况分析，我们可以明显发现，和采空区相邻近的煤体当中生成了三个区域，即应力降低区、应力增大区及原岩应力区，为了能够进一步规避应力增大区，需要保证留设煤柱的宽度达到最小化，但是如果煤柱两侧全部都是破碎区域，那么留设的煤柱宽度过小会致使不稳定区域的产生，因而没有办法针对锚杆发挥出其特有的支撑作用。因此，必须保证留设煤柱能够在符合巷道支护本身载荷要求的情况下，还能促使围岩保持完整性，尽量做到减少资源的损耗率。按照极限平衡理论来分析和计算，巷道中留设的小煤柱计算公式为：B=1.15(x1+x2)，式中，B为留设小煤柱的宽度大小；x1为锚杆支护的长度数值；x2为上区段中煤炭回采在煤柱中产生的塑性区宽度。

2.小煤柱开采技术应用现状

（1）通常情况而言，随着巷道中煤柱宽度的增加，其在开采过程中的支护成效也越加明显。通过对巷道当中的围岩应力进行分析，从实质上去了解围岩损害特点还有相关的防治措施之后，可以分析出支护巷道本身的宽度与巷道支护形成的效果并非呈现出正比关系[2]。采掘工作面回采稳固之后，采空区所在的周边环境会形成一个应力削弱区域。因而可通过在该应力削弱区中布控巷道，应用窄煤柱作为巷道支撑保护的措施，可对巷道的稳固安全性起到很大程度地保障作用。通过在实际测量所获取到的相关数据结果显示，巷道围岩形成的移近程度、煤柱本身的宽窄程度都会对煤矿巷道围岩的移近率还有煤柱宽度两者结合形成的联系产生影响，可以将其作为煤柱稳固与否的一项重要的参考指标。在锚杆支护技术的不断进步发展下，沿空巷道围岩控制技术也获得了很大的升级调整。通过仔细分析采空区域上层覆盖的岩石结构、工作面中间岩石层移动的特征和采空区域侧向所分布的支撑应力状态等，可从根本上推动锚杆支护技术的有效发展，同时也为沿空巷道采掘技术普及应用奠定了坚实基础。依据厚煤层采掘工作面对于沿空巷道设置的情况来看，需要应用比较高强度的预应力让压的锚杆支护技术，梯级锚固的束锚索支护技术还有多锚索钢带桁架支护方式，通过这三项技术加以整合，从而发挥出其支撑保护的作用。针对于煤柱而言，其需要通过利用强效的锚杆支护设备、韧性十足的材料注浆、钢筋混墙支护设备等多种方式，在有效结合的基础上，确保其采掘施工能够稳定进行[3]。

（2）总体上而言，小煤柱开采技术应用观念，以及在应用过程中形成的相关经验已经构建出较为完善的体系。然而，对于工作面综放状态下，小煤柱沿空掘巷的端处结构、掘巷实时间、空间等多个领域上所产生的问题并没有深入展开研究，缺乏相对成熟的机制。事实上，由于煤层当中的环境差异化和地质条件的复杂性，再加上作业面端处所覆盖的岩层构造、采空区稳固前后端的覆盖岩石移运的手段和端处应力场中形成的各种演化规律没有采取针对性的探究措施，造成小煤柱开采技术在掘进工作面中的有效拓展应用遭受较大的局限性。因此，必须对作业面端处覆盖的岩层结构、移运情况还有采空区域稳固前后侧向支撑应力的布设控制手段加以分析，在综合研究的基础上，对小煤柱开采技术的布控参数据和支撑方式进行探索。

3.工程实践应用分析

(1)相关工程概况分析

某煤矿，其3号煤层工作面，巷道应用的是矩形断面形状，煤层厚度2.85m，工作面走向182m，在朝着顶板持续掘进相关区域中，尚未发现有较大的地质结构存在，巷道宽度设置为3.8m，高度设置为3.0m，直接顶的主要组成岩层为泥岩和砂质泥岩，还有一小部分是粉质砂岩和细砂岩，这类型岩层在和水发生接触后非常容易出现发胀情况，同时其稳定性能相对低下。基本顶本身结构相对松散，伴随着采掘施工的推进而持续产生脱落情况，维护难度系数高，底板则大部分是泥质砂岩，在遭遇水之后，两者发生作用容易发胀。其回风巷道沿着采空区进行布设，试验护巷煤柱从20m减少到8m，保持巷道断面的形态特征不变，应用全封闭型的支护工艺和底板超挖反底拱结构。

对原有围岩变形作用进行分析，该工作面预留设置的煤柱宽度达到20m，不过围岩控制成效与预期的目标差距有点大，巷道出现了较为严重的变形情况，并且底臌区域相对而言比较严重，其主要的原因可以具体划分为以下内容：其一，底板岩层主要是泥质砂岩和泥岩，与水混合容易吸收膨胀，促使底板出现底臌[3]；其二，该煤层构造为复合形式，产生的裂隙比较明显，受到水源侵入和风化作用的负面影响，裂隙会进一步发展成为导通带，进而导致结构遭受破坏；其三，围岩结构极易出现损害，也会进一步造成支护工艺失去成效；其四，受制于采动带来的影响，顶板区域会发生大规模的剧烈运动，进而使得围岩破坏程度加深，致使巷道出现变形[4]。

(2)技术应用过程分析

①调整支架构造情况。按照以往相关类型煤矿的作业施工经验，通过对支架构造进行合理的调整，能够确保其支撑性能更加稳定，同时对支架具体情况加以改进，还能进一步减少维修频率。其调节完善支架构造的工作内容包括支架照明设置、通信装置、喷雾装置、油缸检查位置、油缸耳子强度和加固压力表、支架装车。通过合理调整完善支架构造，就能够进一步对开采环节当中的运送做到有效加固维稳，以此来提升支架强度，以更具可行性、针对性的工艺手段来助力施工作业人员顺利开展各项工作。与此同时，确保工作面溜子和采煤机的类型的合理配置，可从实质意义上提高煤层开采施工的水平和效率。

②按照工作面设计的规范要求和施工实际环境情况、地质构造和地形地貌特征等来合理进行巷道、巷道断面还有支护工艺的规划方案，同时还要合理地采用施工设施设备等；立足于具体的勘测数值参数结果来设置工作面的工作方位、大小以及周边方位。科学制定采煤施工环节中的各道管控措施，管控措施的内容要涉及到顶板管控、装置设计、施工工艺等。利用煤层本身的储存功能、煤矿岩层的性质特征，从而对液压支架进行规划设计。按照具体应用要求，选用更加切合实际的给排水装置、供电装置、输送装置、通风防尘装置还有光照装置等，将其整个放置方位合理规划完成后，从相关的施工标准开采设计方案出发，制定能够有效解决各种突发的、异常情况的应急预案和处理方案，进一步减少安全事故发生。

③在采煤施工的环节中，首要的工作任务就是对掘进项目和支架进行细致的检查，科学定位中线，再依据所定位的中线位置开展洒水作业、钻孔作业，等到钻孔作业完成后，再将炸药放置到孔眼中实施爆破。利用撬棍针敲击侧帮和顶端两个部分，再按照形成的音响情况对剥层和浮石方法进行判别和选用，利用前期获取到的参数数值进行暂时支护，输送煤矿，在实施长久支护时，还需要将施工位置清扫干净[5]。

④小煤柱支护固定。采煤施工期间应用小煤柱开采技术，必须要做好留存煤柱的支护固定。顶底板形成的压力、水侵入导致的膨胀情况，都会致使小煤柱的形状发生改变进而出现变形，进而形成底臌的现象[1]。普遍情况下，应用卧底手段难以达到彻底根治的目标，因为卧底之后在比较短的时间内可能还会出现二次底臌。所以需要深入对底臌形成的影响因素展开研究，应用可行性的方案来加以解决。其一，可采取的针对性方案为：超挖0.2m之后持续超挖，使其进一步构建成反底拱结构，与此同时还要沿着底拱垂直设置1.6m长的中空注浆锚杆，并采取锚固措施，设置1.5m的间隔距离，之后再将混凝土回填到底板表面，在24h之后可以达到预期强度的90%。在煤层工作面中，在超过煤层50m和工作面滞后区域的100m范围内采取加强支护技术，利用一梁三柱来架棚，其间隔距离设置为0.8m。其二，超前支护巷道。在煤层工作面中，在超过煤层50m和工作面滞后区域的100m范围内采取加强支护技术，利用一梁三柱来架棚，其间隔距离设置为0.8m。其三，利用注浆对小煤柱进行加固，强化其承载作用。锚杆设置的方法，其间排距离为0.8m，与帮顶、帮底相距0.3m的区域处搭设锚杆，这两个区域的锚杆倾角倾向顶、底12°布设，每隔两派在锚杆中补充一排中空注浆锚索，其长度设置为5m，选择注浆的方法对离工作面前50m和离工作面后100m的范围内加固小煤柱。其四，应用U型钢结合铰接梁同时对围岩采取支护措施。在工作面的区段发挥U型钢和铰接梁双重作用，对巷道进行支护强化，间隔距离设置为0.8m，U型钢的顶部与顶板相连，剩余的部分则通过背板和两帮背实[6]。其五，应用喷浆封闭的方式。小煤柱支护存在稳定性能比较差的问题，受到采动压力的影响，非常容易造成其内部出现裂缝进而导致变形情况出现，当采空区发生涌水现象，很有可能与回风巷导通，致使水害问题产生，为避免在此过程中对围岩结构性能造成破坏，需要采取喷浆的方式对巷道围岩加以处理，喷层的厚度设置在0.05m。具体支护方案如图2所示。