杨庄煤矿建筑物下压煤短壁开采技术与煤柱留设研究

郭振兴，马彩莲

(1.中国煤炭科工集团 太原研究院有限公司，山西 太原 030006；2.山西能源学院，山西 晋中 030600)

淮北矿业集团杨庄煤矿Ⅲ64采区可采储量100多万吨，因地面有重要建筑物，Ⅲ64采区首采工作面原采用充填开采方式进行回采。Ⅲ644首采充填工作面累计出煤量156kt，后因成本较高等原因停止了充填开采，目前Ⅲ644充填工作面剩余煤量约80kt。

为了有效解决建筑物下压煤开采问题，进一步合理开发六煤层Ⅲ64采区剩余煤炭资源，保护地面建筑物不受到较大影响，做到资源开发与环境保护并举，杨庄煤矿与中国煤炭科工集团太原研究院有限公司合作，开展连续采煤机旺格维利短壁开采技术研究，内容主要包括旺格维利短壁开采工艺及合理保护煤柱宽度的确定，研究目标是既要控制地表下沉，保持建筑物安全稳定，又要最大限度地把建筑物下压煤合理回采出来。

1 工程背景

淮北矿业集团杨庄煤矿六煤层厚2.0～3.7m，平均3.06m，倾角6°～24°，六煤平均埋深约350m，地质条件简单，但受上部洪阳矿采空区威胁严重，水文地质条件复杂。工作面直接顶为粉砂岩，层理不发育，平均厚度3.6m，局部受古河床冲刷。基本顶为灰色中粒、细粒砂岩，块状，以石英为主，厚度3.21～11.50m，夹薄层泥岩，局部地段为砂质页岩，泥质胶结。底板为中砂岩，平均厚度7.14m。六煤层钻孔综合柱状如图1所示。

Ⅲ644工作面后因充填成本较高，停止了充填开采，工作面剩余煤炭资源拟采用连续采煤机旺格维利短壁开采方法进行回采。Ⅲ644工作面巷道布置如图2所示。

图1 六煤层钻孔综合柱状

2 连续采煤机短壁开采工艺

2.1 连采工作面巷道布置

在工作面中部东西向掘1条工作面的胶带运输巷作为进风巷道，断面规格为5.2m×3.0m；再利用北侧旧巷道刷1条辅助运输巷作为回风巷道，断面规格为5.2m×3.0m；主辅运输巷道间掘进联巷，联巷间距视支巷位置确定。主辅运巷道掘进到位后，运输巷侧支巷按70°夹角分别向运输巷侧掘进支巷，辅助运输巷侧支巷与辅助运输巷为90°夹角。工作面通风系统则利用主运输巷道进风，辅助运输巷回风，形成负压通风。支巷掘进过程采硐回采过程中采用局扇通风。采硐尺寸为：长×宽×高=11m×3.3m×3.0m。相邻两个采硐间留设0.8～1m煤墙。支巷采用尽量沿煤层走向布置，沿顶掘进。连采工作面巷道与煤柱布置如图3所示。

图2 Ⅲ644工作面巷道布置

1—工作面运输巷；2—工作面回风巷；3—支巷；4—采硐；a—煤柱留设宽度；b—煤体采出宽度图3 连采工作面巷道布置及回采工艺

2.2 连采工作面设备配套

结合Ⅲ644工作面地质状况，确定工作面采、落、装、运、支生产工序选用中国煤炭科工集团太原研究院研制的连续采煤机及其配套设备。

选用1台EML340A型连续采煤机完成煤炭的截割和装运工作，选用1台SC15/182F型梭车来完成煤炭的运输、转载工作，选用1台LY2000/980-10型连运一号车完成煤炭的破碎转载，选用1台CMM2-20两臂锚杆机完成巷道顶板的支护作业，选用1台ZL30EFB防爆胶轮装载机来完成材料、设备的运送和搬移以及巷道浮煤的清理等工作，选择2台XZ7000/18/35型履带行走式液压支架实现工作面顶板的支护工作。选用1套DSJ-1000型可伸缩胶带输送机将连采工作面采出煤炭输送至大巷胶带输送机。

2.3 连采工作面采煤工艺

在支巷掘进完成后，将行走支架布置于支巷端头，连续采煤机即在支巷两侧后退式交替进行斜切进刀采硐回采作业，梭车在连续采煤机和转载破碎机之间进行煤炭运输，2台行走支架布置于采硐后方的支巷内，随着采硐的回采交替前移，主要起支撑采硐后方三角区顶板的作用。破碎机接煤后将煤破碎转载至胶带运输机运出工作面。采硐的宽度为连续采煤机机身宽度，深度为连续采煤机的机身长度，遇地质条件较为复杂时，则应缩短采硐的深度，根据实际条件快采快退，保证作业安全。

工作面支巷回采顺序为：按照支巷布置顺序自第一条支巷开始依次回采，回采支巷内采硐均采完密闭后方可进入下一支巷，一个区段支巷采硐回采完毕，同时应回收主辅运巷两侧的保护煤柱。支巷内采硐回采顺序为：由靠近回风巷一侧开始回采，先左后右依次进刀回采，采硐与回采支巷呈45°夹角。每条支巷回采到距运输巷与回风巷6m处时停止回采，留作保护煤柱。回采完每条支巷后，将支巷口及时密闭。

3 连采工作面合理煤柱留设宽度计算

煤柱强度是煤柱稳定性分析的基础。“三下”压煤的开采应按以下原则确定留设保护煤柱的尺寸：

(1)留设的保护煤柱应具有足够的强度。煤柱强度不仅与煤块的强度有关，而且与煤柱尺寸、煤柱形状、煤柱内部构造、围岩的接触面及岩性、煤柱围压等因素有关。

(2)留设的保护煤柱必须长期保持稳定，确保地表不出现波浪变形及地表变形符合“三下”压煤煤柱留设规程的要求。

目前主要有2种用于煤柱留设尺寸设计的理论，一种是极限强度理论，认为如果作用载荷达到煤柱的极限强度时，煤柱的承载能力降低到零，煤柱就会破坏；另一种是逐步破坏理论，认为由于巷道两侧的煤体中有应力集中，在煤柱中形成了2个区域：一个是塑性区，另一个是在煤柱中心部分未受扰动的弹性区。在塑性区，煤柱遭到不同程度的破坏及产生一定的流变，但由于塑性区的约束和支承压力区较高的侧压力作用，提高了弹性区的强度，从而使煤柱核区基本上处于弹性变形状态，具体主要有有效区域理论、压力拱理论和A. H. 威尔逊两区约束理论等。本文采用威尔逊理论与有效区域理论对保护煤柱留设尺寸进行计算与分析。

3.1 按威尔逊两区理论

威尔逊两区约束理论是目前我国应用最多、最广泛的煤柱强度理论。该理论是在实测的数据基础上，经过合理的假设、推导并进行简化，得到实用而方便的煤柱尺寸计算公式，引入安全系数F，确定煤柱宽度为：

(1)

式中，a为留设煤柱宽度，m；m为煤层实际采高，m；b为采宽，m；γ为上覆岩层容重，kN/m3；H为煤层平均埋深，m；F为安全系数，取2。

3.2 按有效区域理论

有效区域理论是假定煤柱支撑着其上部及与其相邻的部分采空区上部覆岩的重量，煤柱的载荷是在煤柱影响范围内的固定载荷[6]。因为大多数短壁开采工艺采宽较小，采空区内除直接顶冒落外，一般情况下基本顶不冒落。冒落矸石不接顶，所以采空区矸石不承载。因此，可认为采出宽度上覆岩层的重量全部转移到所留煤柱宽度上。按有效区域理论计算，并引入安全系数F，确定煤柱宽度为：

(2)

式中，σc为实验室标准试件单向抗压强度，MPa。

按照大多数短壁开采的经验[5-6]，采宽b在1/10～1/4 采深之间时，地表一般不会出现波浪式下沉。杨庄矿六煤层平均埋深H=350m，b=H/10～H/4=35～87m，但最好不超过六煤层基本顶的极限垮落步距(或初次来压步距)。

根据矿方提供的六煤层矿压实测结果，六煤层基本顶的初次来压步距为34～55m，同时根据连续采煤机短壁开采工艺的特点，采宽可取：b=20m(支巷宽5.2m，采硐深11m，采硐与支巷夹角45°，双翼开采)

将煤层厚度m=3m，埋深H=350m ，平均容重25kN/m3，取安全系数F=2，采宽b=20m，煤体σc=15MPa，20MPa强度条件下，分别代入威尔逊两区约束理论和有效区域理论公式进行留设煤柱宽度的计算，计算结果见表2。

表2 按2种理论计算的煤柱宽度

综合以上2种方法计算结果，可以看出在相同采宽条件下，按有效区域理论计算结果较为保守，考虑最不利因素，在采宽b=20m条件下，合理煤柱宽度为20～26m。在地质条件较好时，可将煤柱宽度留设为20m，在遇到断层、陷落柱等地质构造复杂区域时，煤柱宽度留设为26m。

4 地表沉陷FLAC3D数值模拟

FLAC3D是有美国Itasca Consulting Group Inc 开发的三维显式有限差分法程序[7-8]，采用拉格朗日分析对连续体进行数值计算的软件，主要用于岩土和采矿工程的数值模拟计算。计算模型应用Generate命令生成，采用摩尔-库伦破坏准则，用brick、wedge单元模拟煤层及围岩，为了避免边界效应，采用固定边界条件，两端与底部采用固定约束，顶部施加覆岩等效载荷。根据杨庄矿六煤层地质条件建立三维地质模型，模型地表面积是采空区面积的25倍，模型共25600单元，29889节点。

根据“三下”压煤开采规程的规定[9]，要求受保护的构筑物水平变形ε≤2.0mm/m，曲率K≤0.2×10-3m-1，倾斜i≤3.0mm/m。FLAC3D模拟计算结果如图4和图5所示，图4为水平移动变形云图，图5为垂直下沉变形云图。

图4 支巷回采结束水平移动变形

图5 支巷回采结束垂直下沉变形

从图4中可以看出，在采宽20m、留设煤柱宽度26m条件下，随着开采的不断深入，水平移动变形值越来越大，最后趋于稳定值，为32mm左右。从图5中可以看出，随着开采的不断深入，在留设煤柱宽度26m、采硐宽度3.3 m条件下，在回采完第六支巷达到充分采动时的最大下沉量为60mm。

随着采空区面积的不断增大，沉陷范围变大，但沉陷规律分布受短壁开采巷道布置及回采工艺的影响很大[10]。

数值模拟结果说明，在应用连续采煤机进行短壁开采且留设合理保护煤柱的条件下，地表变形规律和综采有较大的区别，最大下沉、最大倾斜、最大曲率、最大水平变形这4个指标均较综采要小，但随着开采的不断深入，采空区面积的不断增大，最大变形值越来越大，最后趋于稳定，在受保护建筑物边缘处的水平变形ε≤0.45mm/m，曲率K≤0.043×10-3m-1，倾斜i≤0.45mm/m，均满足“三下”压煤规程的规定，因此留设合理的保护煤柱能最大程度减缓地表的沉陷和变形。

5 结 论

(1)杨庄矿六煤层建筑物下压煤块段应用连续采煤机短壁开采工艺，加上保护煤柱尺寸的合理留设，不仅可以有效控制地表下沉，保持地面建筑物的安全稳定，而且可以最大限度地提高煤炭资源采出率。

(2)针对杨庄矿六煤层建筑物下压煤块段特定的地质条件，为了控制地表沉陷，通过理论分析，计算确定了采宽20m条件下保护煤柱的合理宽度为20～26m。在地质条件较好时，可将煤柱宽度留设为20m，在遇到断层、陷落柱等地质构造复杂区域时，可将煤柱宽度留设为26m。

(3)FLAC3D数值模拟结果表明，在受保护建筑物边缘处的水平变形ε≤0.45mm/m，曲率K≤0.043×10-3m-1，倾斜i≤0.45mm/m，满足“三下”压煤规程的规定。连续采煤机短壁开采条件下的地表变形规律和综采有较大的区别，保护煤柱的合理留设能够最大程度地控制地表沉陷和变形，也实现了“三下”压煤块段的绿色开采、安全高效开采。