王業(yè)常 萬恒州

（福興集團有限公司，山東 棗莊 277316）

福興煤礦位于山東省韓臺煤田中偏西部，現(xiàn)主采煤層為2、3 層煤，由于受區(qū)域推覆構(gòu)造影響，平均傾角在50 °以上。如何合理留設(shè)巷道保護煤柱，減少壓煤量，是當前礦井急需解決的問題，否則礦井采區(qū)、工作面走向長度將大大縮短，從而造成礦井接續(xù)失調(diào)，給安全生產(chǎn)帶來極大隱患。

1 -750 m 運輸上下山與煤層關(guān)系

保護煤柱設(shè)計方法有兩種：垂直剖面法和垂線法。地表或地下構(gòu)筑物的保護邊界平行或垂直于煤層走向時采用垂直剖面法，斜交時則采用垂線法。本次設(shè)計的-750 m 運輸上、下山均與相應(yīng)區(qū)域煤層走向斜交，故選用垂線法。

在垂線法設(shè)計保護煤柱過程中，根據(jù)參數(shù)需要，沿-750 m 運輸上、下山延伸方向作相對于2#煤和3#煤的剖面，從而就能直觀確定其開采影響范圍。

2 保護煤柱留設(shè)原則

根據(jù)巷道與回采空間相對位置及采掘時間關(guān)系的不同，巷道位置可以分為本煤層巷道（圖1）、頂板巷道（圖2）和底板巷道（圖3）。為保護此三種類型的巷道不受回采影響，或減小回采對其圍巖穩(wěn)定性的影響，一般采用以下原則。

（1）本煤層巷道采用護巷煤柱保護上下山，如圖1 所示。

圖1 本煤層巷道護巷煤柱

（2）目前，我國主要采用護巷煤柱保護頂板巷道，如圖2 所示。圖中，γ、β、δ 為巖層移動角，x0為巷道一側(cè)保護帶寬度，一般不小于20 m。

（3）底板巷道一般采取跨采方式保護，如圖3所示。雖然跨采期間巷道變形較大，但跨采后，巷道位于應(yīng)力降低區(qū)，有利于巷道的長期穩(wěn)定。當巷道與煤層垂直距離較近，不能控制跨采期間的巷道破壞，這時需采用護巷煤柱進行保護，如圖5 所示。目前我國跨采護巷案例中，跨采煤層與底板巷道最近距離是4.9 m，應(yīng)用于棗礦集團陶莊礦的-420 m主運輸大巷。

圖 2 保護煤柱維護頂板巷道

圖3 底板巷道留設(shè)保護煤柱

福興煤礦-750 m 運輸上、下山屬于穿煤層巷道，與煤層的層位關(guān)系包括了本層、頂板和底板所有三種情況。

根據(jù)前面分析，-750 m 運輸上、下山巷道位于頂板和煤層內(nèi)時，應(yīng)采用護巷煤柱進行保護，位于底板時，應(yīng)考慮跨采進行保護。

根據(jù)圖1 的剖析（偽斜剖）結(jié)果，-750 m 運輸上山在2#煤底板的最大距離約27 m，在3#煤底板的最大距離約15 m；-750 m 運輸下山巷道在2#煤底板的最大距離約22.6 m，在3#煤底板的最大距離約11.8 m。根據(jù)國內(nèi)已有經(jīng)驗，當距離大于5 m 時，可以考慮跨采進行保護。

采用跨采保護-750 m 運輸上、下山，尚存在以下問題：（1）被保護巷道附近煤層傾角較大，特別是-750 m 運輸上山附近煤層為平均傾角約45°的急傾斜煤層，底板巷道穩(wěn)定性會受到跨采后采空區(qū)底板移動變形的影響。傾角較大時，巷道甚至受到采空區(qū)底板垮落的威脅，如圖4 所示（圖中λ 為底板巖層移動角）；（2）為保證大傾角煤層中回采巷道穩(wěn)定，回采工作面間留有較大的區(qū)段保護煤柱，煤柱寬度一般在10 m 以上。采用跨采護巷時，上、下山不僅沒有處于采空區(qū)的應(yīng)力降低區(qū)內(nèi)，反而要長期受區(qū)段煤柱上高度集中的支承壓力影響。因此，-750 m 運輸上、下山并不適合采用跨采方式進行保護。

綜合以上分析，-750 m 運輸上、下山在全長范圍內(nèi)均采用護巷煤柱進行保護。

圖4 急傾斜煤層采空區(qū)對底板巷道穩(wěn)定性影響

3 -750 m 運輸上下山護巷煤柱寬度

-750 m 運輸上下山護巷煤柱設(shè)計，主要設(shè)計其在2#煤和3#煤中保留煤柱的寬度，或工作面停采線的位置。

3.1 頂板與煤層段煤柱

參照《煤礦特殊開采方法》l 按下式確定：

式中：HA為巷道與煤層間垂直距離，m；γ′為巷道的偽傾斜下山移動角，（°）；θ 為巷道與煤層走向夾角，（°）；α 為煤層傾角，（°）；x0為圖4 中巷道保護帶寬度，取20 m。其中，cotγ′按下式計算：

式中：γ 為上山移動角，（°）；δ 為走向移動角，（°）。根據(jù)棗莊礦區(qū)觀測結(jié)果，γ 和δ 均取76°。

（1）-750 m 運輸上山

根據(jù)采掘工程平面圖測算結(jié)果，在-750 m 運輸上山附近，2#煤和3#煤傾角平均取45°，-750 m運輸上山與2#煤和3#煤走向的夾角平均為22°。

根據(jù)剖面作圖，-750 m 運輸上山在頂板內(nèi)時，巷道與煤層間距近似線性變化，上端變坡點位置與2#煤和3#煤的距離最大，分別為16 m 和35 m。此時 -750 m 運輸上山在2#煤內(nèi)保護煤柱寬度為：l上-2煤=25.2 m；在3#煤內(nèi)保護煤柱寬度為：l上-3煤=31.4 m。

當-750 m 運輸上山位于煤層中時，即為公式（1）中HA為0 的情況，此時，2#煤與3#煤內(nèi)保護煤柱寬均取x0，為20 m。

由此可見，-750 m 運輸上山在煤層以上（包括煤層）時，2#煤和3#煤內(nèi)保護煤柱為一上寬下窄的梯形。

（2）-750 m 運輸下山

-750 m 運輸下山全長位于2#煤底板內(nèi)，并且由頂板向底板穿過3 煤。根據(jù)采掘工程平面圖測算，-750 m 運輸下山處3#煤傾角平均取38°，-750 m 運輸下山與3#煤走向的夾角平均為16°。

根據(jù)剖面作圖，-750 m 運輸下山在3#煤頂板內(nèi)時，其上端變坡點和3#煤間的距離最大為3.4 m。此時 -750 m 運輸下山在3#煤內(nèi)保護煤柱寬度為，l下-3 煤=21.0 m。

當-750 m 運輸下山位于煤層中時，即為公式（1）中HA為0 的情況，此時，3#煤內(nèi)保護煤柱寬均取x0，為20 m。

-750 m 運輸下山在3#煤層以上（包括煤層）時，保護煤柱為一上寬下窄的梯形。

3.2 底板段煤柱

底板巷道保護煤柱留設(shè)主要考慮開采后應(yīng)力在底板的分布。底板中除垂直應(yīng)力外，剪應(yīng)力、水平應(yīng)力也是影響巷道礦壓顯現(xiàn)的重要因素。依據(jù)數(shù)值計算、相似模擬試驗和現(xiàn)場實測等多方面分析研究，在煤體與采空區(qū)交界地區(qū)，采動引起的底板巖層應(yīng)力分為以下區(qū)域：原巖應(yīng)力區(qū)、應(yīng)力集中區(qū)、剪切滑移區(qū)、卸壓區(qū)、應(yīng)力恢復區(qū)、拉伸破裂區(qū)?？绮蓵r巷道最終應(yīng)處于卸壓區(qū)，而留煤柱進行保護時則應(yīng)處于原巖應(yīng)力區(qū)，則保護煤柱寬度為：

式中：α 為應(yīng)力傳播角度，一般取70°；HA為巷道距煤層垂直距離，m；x0為保護帶寬度，按煤層內(nèi)巷道保護煤柱寬度取值，一般取20 m。

（1）-750 m 運輸上山

-750 m 運輸上山在底板內(nèi)時，最下端變坡點位置與2#煤和3#煤的距離最大，分別為27 m 和15 m。此時 -750 m 運輸上山在2 煤內(nèi)保護煤柱寬度為:l '上-2煤=29.8 m；-750 m 運輸上山在3#煤內(nèi)保護煤柱寬度為：l '上-3煤=25.5 m。

當-750 m 運輸上山位于煤層中時，即為公式（3）中HA為0 的情況，此時，2#煤與3#煤內(nèi)保護煤柱寬均取x0，為20 m。

由此可見，-750 m 運輸上山在煤層下部時（包括煤層），2#煤和3#煤內(nèi)保護煤柱為一上窄下寬的梯形。

（2）-750 m 運輸下山

-750 m 運輸下山完全布置在2#煤底板內(nèi)，其在測點及下端煤倉處距2#煤距離分別為：10 m、9.6 m、10.9 m、15.2 m、18.7 m 和22.6 m。根據(jù)公式（3），各點處相應(yīng)的煤柱寬度為：23.6 m、23.5 m、24.0 m、25.5 m、26.8 m 和28.2 m。-750 m 運輸下山在2#煤內(nèi)煤柱由以上各參數(shù)分段標定，基本呈上窄下寬狀。

-750 m 運輸下山在F3 測點附近穿過3#煤層，F(xiàn)3 測點以下位于3#煤底板內(nèi)，與3#煤間距近似線性變化，最下端煤倉處距離最大，為11.8 m。則-750 m運輸下山在3#煤底板的保護煤柱呈上窄下寬的梯形：最上端在煤層中，即為公式（3）中HA為0 的情況，此時3#煤內(nèi)保護煤柱寬均取x0，為20 m；最下端煤倉處煤柱寬度由公式（3）得24.3 m。

3.3 -750 m 運輸上下山保護煤柱確定

根據(jù)前面分析，考慮施工與管理方便，煤柱寬度采取均一化處理，即按理論寬度的最大值留設(shè)等寬的保護煤柱。對理論值進行圓整修正后，-750 m運輸上山在2#煤與3#煤內(nèi)的保護煤柱寬度分別為30 m 和32 m，-750 m 運輸下山在2#煤與3#煤內(nèi)的保護煤柱寬度分別為29 m 和25 m，如圖5 所示。

圖5 -750 m 運輸上山設(shè)計最終保護煤柱

4 結(jié)論

通過對福興煤礦-750 m 水平上、下山煤柱進行理論計算和現(xiàn)場實踐，最終確定了合理煤柱寬度。這樣直接釋放了壓煤近40 多萬噸，減少了資源量浪費的同時緩解了礦井接續(xù)緊張局面，延長了工作面服務(wù)年限13 個月，對于類似的急傾斜煤層礦井如何合理選擇煤柱計算方法提供了參考，也為同類型礦井開拓開采的布置起到了很好的實例借鑒作用。