急倾斜煤层上下山保护煤柱留设探讨

王业常 万恒州

（福兴集团有限公司，山东 枣庄 277316）

福兴煤矿位于山东省韩台煤田中偏西部，现主采煤层为2、3 层煤，由于受区域推覆构造影响，平均倾角在50 °以上。如何合理留设巷道保护煤柱，减少压煤量，是当前矿井急需解决的问题，否则矿井采区、工作面走向长度将大大缩短，从而造成矿井接续失调，给安全生产带来极大隐患。

1 -750 m 运输上下山与煤层关系

保护煤柱设计方法有两种：垂直剖面法和垂线法。地表或地下构筑物的保护边界平行或垂直于煤层走向时采用垂直剖面法，斜交时则采用垂线法。本次设计的-750 m 运输上、下山均与相应区域煤层走向斜交，故选用垂线法。

在垂线法设计保护煤柱过程中，根据参数需要，沿-750 m 运输上、下山延伸方向作相对于2#煤和3#煤的剖面，从而就能直观确定其开采影响范围。

2 保护煤柱留设原则

根据巷道与回采空间相对位置及采掘时间关系的不同，巷道位置可以分为本煤层巷道（图1）、顶板巷道（图2）和底板巷道（图3）。为保护此三种类型的巷道不受回采影响，或减小回采对其围岩稳定性的影响，一般采用以下原则。

（1）本煤层巷道采用护巷煤柱保护上下山，如图1 所示。

图1 本煤层巷道护巷煤柱

（2）目前，我国主要采用护巷煤柱保护顶板巷道，如图2 所示。图中，γ、β、δ 为岩层移动角，x0为巷道一侧保护带宽度，一般不小于20 m。

（3）底板巷道一般采取跨采方式保护，如图3所示。虽然跨采期间巷道变形较大，但跨采后，巷道位于应力降低区，有利于巷道的长期稳定。当巷道与煤层垂直距离较近，不能控制跨采期间的巷道破坏，这时需采用护巷煤柱进行保护，如图5 所示。目前我国跨采护巷案例中，跨采煤层与底板巷道最近距离是4.9 m，应用于枣矿集团陶庄矿的-420 m主运输大巷。

图 2 保护煤柱维护顶板巷道

图3 底板巷道留设保护煤柱

福兴煤矿-750 m 运输上、下山属于穿煤层巷道，与煤层的层位关系包括了本层、顶板和底板所有三种情况。

根据前面分析，-750 m 运输上、下山巷道位于顶板和煤层内时，应采用护巷煤柱进行保护，位于底板时，应考虑跨采进行保护。

根据图1 的剖析（伪斜剖）结果，-750 m 运输上山在2#煤底板的最大距离约27 m，在3#煤底板的最大距离约15 m；-750 m 运输下山巷道在2#煤底板的最大距离约22.6 m，在3#煤底板的最大距离约11.8 m。根据国内已有经验，当距离大于5 m 时，可以考虑跨采进行保护。

采用跨采保护-750 m 运输上、下山，尚存在以下问题：（1）被保护巷道附近煤层倾角较大，特别是-750 m 运输上山附近煤层为平均倾角约45°的急倾斜煤层，底板巷道稳定性会受到跨采后采空区底板移动变形的影响。倾角较大时，巷道甚至受到采空区底板垮落的威胁，如图4 所示（图中λ 为底板岩层移动角）；（2）为保证大倾角煤层中回采巷道稳定，回采工作面间留有较大的区段保护煤柱，煤柱宽度一般在10 m 以上。采用跨采护巷时，上、下山不仅没有处于采空区的应力降低区内，反而要长期受区段煤柱上高度集中的支承压力影响。因此，-750 m 运输上、下山并不适合采用跨采方式进行保护。

综合以上分析，-750 m 运输上、下山在全长范围内均采用护巷煤柱进行保护。

图4 急倾斜煤层采空区对底板巷道稳定性影响

3 -750 m 运输上下山护巷煤柱宽度

-750 m 运输上下山护巷煤柱设计，主要设计其在2#煤和3#煤中保留煤柱的宽度，或工作面停采线的位置。

3.1 顶板与煤层段煤柱

参照《煤矿特殊开采方法》l 按下式确定：

式中：HA为巷道与煤层间垂直距离，m；γ′为巷道的伪倾斜下山移动角，（°）；θ 为巷道与煤层走向夹角，（°）；α 为煤层倾角，（°）；x0为图4 中巷道保护带宽度，取20 m。其中，cotγ′按下式计算：

式中：γ 为上山移动角，（°）；δ 为走向移动角，（°）。根据枣庄矿区观测结果，γ 和δ 均取76°。

（1）-750 m 运输上山

根据采掘工程平面图测算结果，在-750 m 运输上山附近，2#煤和3#煤倾角平均取45°，-750 m运输上山与2#煤和3#煤走向的夹角平均为22°。

根据剖面作图，-750 m 运输上山在顶板内时，巷道与煤层间距近似线性变化，上端变坡点位置与2#煤和3#煤的距离最大，分别为16 m 和35 m。此时 -750 m 运输上山在2#煤内保护煤柱宽度为：l上-2煤=25.2 m；在3#煤内保护煤柱宽度为：l上-3煤=31.4 m。

当-750 m 运输上山位于煤层中时，即为公式（1）中HA为0 的情况，此时，2#煤与3#煤内保护煤柱宽均取x0，为20 m。

由此可见，-750 m 运输上山在煤层以上（包括煤层）时，2#煤和3#煤内保护煤柱为一上宽下窄的梯形。

（2）-750 m 运输下山

-750 m 运输下山全长位于2#煤底板内，并且由顶板向底板穿过3 煤。根据采掘工程平面图测算，-750 m 运输下山处3#煤倾角平均取38°，-750 m 运输下山与3#煤走向的夹角平均为16°。

根据剖面作图，-750 m 运输下山在3#煤顶板内时，其上端变坡点和3#煤间的距离最大为3.4 m。此时 -750 m 运输下山在3#煤内保护煤柱宽度为，l下-3 煤=21.0 m。

当-750 m 运输下山位于煤层中时，即为公式（1）中HA为0 的情况，此时，3#煤内保护煤柱宽均取x0，为20 m。

-750 m 运输下山在3#煤层以上（包括煤层）时，保护煤柱为一上宽下窄的梯形。

3.2 底板段煤柱

底板巷道保护煤柱留设主要考虑开采后应力在底板的分布。底板中除垂直应力外，剪应力、水平应力也是影响巷道矿压显现的重要因素。依据数值计算、相似模拟试验和现场实测等多方面分析研究，在煤体与采空区交界地区，采动引起的底板岩层应力分为以下区域：原岩应力区、应力集中区、剪切滑移区、卸压区、应力恢复区、拉伸破裂区。跨采时巷道最终应处于卸压区，而留煤柱进行保护时则应处于原岩应力区，则保护煤柱宽度为：

式中：α 为应力传播角度，一般取70°；HA为巷道距煤层垂直距离，m；x0为保护带宽度，按煤层内巷道保护煤柱宽度取值，一般取20 m。

（1）-750 m 运输上山

-750 m 运输上山在底板内时，最下端变坡点位置与2#煤和3#煤的距离最大，分别为27 m 和15 m。此时 -750 m 运输上山在2 煤内保护煤柱宽度为:l '上-2煤=29.8 m；-750 m 运输上山在3#煤内保护煤柱宽度为：l '上-3煤=25.5 m。

当-750 m 运输上山位于煤层中时，即为公式（3）中HA为0 的情况，此时，2#煤与3#煤内保护煤柱宽均取x0，为20 m。

由此可见，-750 m 运输上山在煤层下部时（包括煤层），2#煤和3#煤内保护煤柱为一上窄下宽的梯形。

（2）-750 m 运输下山

-750 m 运输下山完全布置在2#煤底板内，其在测点及下端煤仓处距2#煤距离分别为：10 m、9.6 m、10.9 m、15.2 m、18.7 m 和22.6 m。根据公式（3），各点处相应的煤柱宽度为：23.6 m、23.5 m、24.0 m、25.5 m、26.8 m 和28.2 m。-750 m 运输下山在2#煤内煤柱由以上各参数分段标定，基本呈上窄下宽状。

-750 m 运输下山在F3 测点附近穿过3#煤层，F3 测点以下位于3#煤底板内，与3#煤间距近似线性变化，最下端煤仓处距离最大，为11.8 m。则-750 m运输下山在3#煤底板的保护煤柱呈上窄下宽的梯形：最上端在煤层中，即为公式（3）中HA为0 的情况，此时3#煤内保护煤柱宽均取x0，为20 m；最下端煤仓处煤柱宽度由公式（3）得24.3 m。

3.3 -750 m 运输上下山保护煤柱确定

根据前面分析，考虑施工与管理方便，煤柱宽度采取均一化处理，即按理论宽度的最大值留设等宽的保护煤柱。对理论值进行圆整修正后，-750 m运输上山在2#煤与3#煤内的保护煤柱宽度分别为30 m 和32 m，-750 m 运输下山在2#煤与3#煤内的保护煤柱宽度分别为29 m 和25 m，如图5 所示。

图5 -750 m 运输上山设计最终保护煤柱

4 结论

通过对福兴煤矿-750 m 水平上、下山煤柱进行理论计算和现场实践，最终确定了合理煤柱宽度。这样直接释放了压煤近40 多万吨，减少了资源量浪费的同时缓解了矿井接续紧张局面，延长了工作面服务年限13 个月，对于类似的急倾斜煤层矿井如何合理选择煤柱计算方法提供了参考，也为同类型矿井开拓开采的布置起到了很好的实例借鉴作用。