小煤柱开采技术在煤矿生产中的应用

[摘 要] 作为我国煤矿采煤方法的重大改革技术，小煤柱开采技术最早在我国枣庄地区推广使用，到如今已被应用到各方面的煤矿开采中来。本文简要阐述了老屋基煤矿小煤柱开采情况，作者详细总结了自身的实践经验，在使小煤柱开采技术成熟完善的同时，希望给同行带来一定的借鉴作用。

[关键词] 小煤柱开采技术； 煤矿； 应用

1 老屋基煤矿的煤层赋存情况

1.1 煤层及顶底板情况

老屋基煤矿隶属贵州盘江精煤股份有限公司，老屋基井田内含煤地层为上二叠统龙潭组，组厚244～268m，平均厚250m，含煤40～50层，煤层总厚29～40m，平均33m，含煤系数13.2%；其中含可采煤层8层，总厚12.94m， 可采含煤系数为5.2%。区内含可采煤层8层，其中，全区可采4层，大部可采4层。

3号煤层：位于龙潭组近顶部，上距顶界15m左右。煤层厚度0.31～2.83m，平均1.10m，3勘探线以南厚度大于1.30m，其余地段一般在0.70～1.30m之间，为半暗一暗淡型，块状或条带状构造，较硬，在煤层中上部夹有一层稳定的，厚度0.02～0.05m的夹石，煤种单一，属较稳定型煤层。煤层顶板为细砂岩或粉砂岩，厚9.20m，煤层底板为泥岩，厚0.30m。

4号煤层：距3号煤6.46～10.30m，平均8.32m。煤厚0.21～4.72m，平均煤厚1.19m，3～4勘探线以南厚度大于1.30m，3～4勘探线以北厚度一般小于1.30m。为半暗一半亮型煤，块状及条带状构造，较硬，煤中夹有一层厚0.03～0.04m凝灰质泥岩夹矸。煤种单一，属较稳定型煤层。煤层顶板为泥质粉砂岩厚5.0m，底板为泥岩，厚1.5m。

12号煤层：距10号煤17～21.14m，平均19.04m，煤厚1.19～8.05m，平均4.00m，除3～4勘探线以北有两个钻孔厚度小于3.50m以外，其余钻孔厚度均大于3.50m。煤质为半亮型，块状构造，煤层上部夹有两层0.05～0.10m泥岩夹矸，全区可采，煤种单一，属于较稳定型煤层。煤层顶板为细砂岩与菱铁质砂岩条带互层，厚18m，煤层底板为泥岩，厚0.60m。

14号煤层：距12号煤11.5～22.41m，平均16.51m，煤厚0.45～5.12m，平均1.56m，为半亮型煤，块状或鳞片状，煤层中夹有1～2层泥岩夹矸，该层煤厚度变化大，属较稳定型煤层，煤层顶板为粉砂质泥岩，厚2.00m，底板为泥岩，厚2.00m。

17号煤层：距14号煤7.16～12.80m，平均8.80m，煤厚0.42～7.16m，平均1.38m，为半亮型煤，块状或鳞片状，煤层中夹有0～3层泥岩夹矸，该层煤厚度变化大，井田北部出现不可采区，属较稳定型煤层，煤层顶板为粉砂质泥岩，厚2.00m，底板为泥岩，厚2.00m。

18号煤层：距17号煤3.30～17.30，平均10.30m，煤厚0.02～4.60m，平均1.72m，在生产采区所见掘煤点均可采，大部分见煤点与18-1煤合为一层，该煤为半亮型，块状或鳞片状构造，夹有1～2层泥岩夹矸，煤种单一，煤层厚度有一定的变化。属较稳定型煤层，煤层顶板为泥岩粉砂岩，夹有宽条带菱铁质砂岩，厚5.00m，底板为泥岩，厚0.80～4.50m。

22号煤层：距18号煤24.94～39.76m，平均32.65m，煤厚0.39～2.05m，平均厚度1.03m，为半暗型，块状或条带状构造，井田北部和中部有4块不可采区，属较稳定型煤层，煤层顶板为粉砂或细砂岩，厚6.00m，底板为泥岩厚1.00m。

24号煤层：位于龙潭组下部，距22号煤层底板18～26.87m，平均19.96m，煤厚0.09～2.58m，平均1.38m，揭穿层位34孔，可采点30个，不可采点4个，可采率为88%，面积可采率为96%，中部4502、401孔不可采，形成一椭圆状不可采区，北部B7001、B7002、6703三孔不可采，煤层厚度有一定的变化，煤种单一，属较稳定型煤层.煤层顶板为细砂岩，厚1.80m往上为页岩，底板为泥岩厚0.40m。

老屋基井田可采煤层特征表见表1。

1.2 小煤柱开采状况

我国的无煤柱开采技术主要在顶底板条件较好区域区域推广应用，小煤柱开采也是无煤柱开采技术的延伸。小煤柱开采：即区段之间留设3～5m的煤柱护巷。当前，无煤柱开采技术推广比较成功的，应当是沿空留巷技术，也就是在上一区段工作面回采过程中，将工作面运输巷通过沿巷道下帮砌墙方式保留下来作为下一区段的回风巷使用，该技术的缺点是砌墙过程费时费料，顶板稍有破碎段要保留该巷道相当困难。根据近年来贵州盘江精煤股份有限公司老屋基煤矿小煤柱开采技术的成功运用，尤其是小煤柱开采对顺槽巷道顶板的管理、瓦斯治理等的贡献巨大， 并为集团公司带来了可观的经济效益。目前， 小煤柱开采技术经过最近几年的探索和应用，该技术已在贵州盘江精煤股份有限公司甚至更广泛区域得到了推广应用，并也取得了良好的效果。

2 小煤柱开采技术的位置和时间

小煤柱宽度要求：多数人认为，区段之间的煤柱留设宽度应该是15～40m合理，理由是区段之间留设大煤柱煤岩体原始应力场未受破坏，认为大煤柱护巷不受采动影响，上区段采空区积水还可通过大煤柱拦截。但通过近年来矿上技术和管理人员大胆尝试，在老屋基煤矿采用小煤柱开采效果非常良好，不但大量减少了大煤柱留设造成的煤炭资源浪费，而且在顶板管理、瓦斯治理上也非常成功，并减少了巷道维护、瓦斯治理费用，为矿井创造了可观的经济效益。

下区段回风顺槽施工的可选的位置布置见图1。

老屋基煤矿经过多年开采，结合应力观测数据结果表白，倾斜方向外应力集中的区域大致在25～50m左右的位置，走向大致在15～80m左右的位置。老屋基煤矿采用综合机械化采煤，走向长壁开采，全部垮落法处理采空区，顶板随采随落。以前区段之间采用留设大煤柱（一般20m）效果一直较差，在超前应力作用下，下区段采面回风顺槽存在边施工边维修的情况，瓦斯超限的情况时有发生，由于顶板压力大，煤柱产生了大量裂隙，大煤柱开采也未能拦截上区段采空区积水问题。为解决以上问题，结合矿井的开采技术条件，矿上技术及管理人员通过在北二、北三两个采区将近10多个综采面不断尝试，对回采巷道的布置位置不断优化，最终决定采用小煤柱护巷开采，上下区段之间小煤柱留设宽度为3～5m，通过留设小煤柱开采，不但解决了大煤柱开采带来的顶板管理难度大，瓦斯治理工作量的难题外，还解决了沿空留巷遇到的一些难题。

小煤柱护巷时间要求：在煤体开采后，破坏了原始应力状态，上区段工作面上方的岩梁断裂并下沉，在岩梁基本触矸后，随着采空区矸石压实，周边围岩移动逐渐又趋于稳定。通过在老屋基煤矿北二、北三两个采区10多个综采面回采情况观察，同煤层上区段开采后，应力分布稳定达到新平衡的时间一般在2～3年，即在2～3年后布置下一区段回采巷道是最佳时间，此时采用小煤柱护巷掘送下一区段回风顺槽不但顶板压力小，而且基本上不用治理瓦斯，将大大降低瓦斯治理的成本。

2.1 小煤柱开采优点

（1）区段间采用小煤柱布置从地应力上分析：无煤柱、小煤柱布置的回风顺槽刚好避开了外应力场集中的位置，巷道压力小，变形小，有利于支护。另外，小煤柱布置能适应所有顶板条件，也解决了沿空留巷遇到顶板破碎管理难度大的问题，地应力分析详见图1。

（2）区段间采用小煤柱开采对治理煤与瓦斯突出好处：无煤柱、小煤柱后，对上下邻近煤层的煤与瓦斯突出治理工作将大为降低。

（3）区段间采用小煤柱布置顺槽从瓦斯治理上分析：无煤柱、小煤柱布置的回风顺槽掘进过程中基本是已消突，瓦斯已得到了充分释放，将大大降低瓦斯治理的成本。

（4）区段间采用小煤柱布置顺槽从资源利用上分析：很显然，无煤柱、小煤柱开采煤炭资源的利用率是最高的。

2.2 工作面上、下顺槽的支护

工作面运输顺槽的支护：小煤柱开采运输顺槽一般采用树脂锚杆+W型钢带支护（锚杆间排距一般为800mm）；在顶板较稳定的地段采用树脂锚杆+锚索+菱形金属网支护（锚杆间排距一般为800mm，锚索间下一区段回风顺槽的支护：小煤柱开采回风顺槽一般采用架设U型棚+刹杆+菱形金属网支护（棚间距一般为800mm，局部为600mm），支护断面见插图3：

3 小煤柱矿压显现规律监测与分析

开挖是煤矿留巷软弱围岩产生的洞周收敛变形主要原因。岩体分为坚硬岩体、软弱岩体和极软岩体。坚硬岩体，洞周的内空收敛变形由开挖导致；软弱岩体和极软岩体，围岩具有特殊性，变形量大，而且变形规律不同。欲做好煤矿留巷设计和施工安全，需正确地认识软弱围岩的变形规律。

3.1 分点锚固式多点伸长计原理

测杆件和测头组成分点锚固式多点伸长计。其原理是：首先将伸长计的锚头锚固于钻孔中的各测点上，然后通过测杆将锚固头延伸至孔口测试面板旁，透过百分表观测相对位移，即测点与煤矿留巷岩体上各参考点的相对位移。通常在百分表测杆上置放球面状表托，增加测试杆与测试面板的接触和保证垂直性，减少测量误差和增加测试的重复度。分点锚固式多点伸长计的安装步骤：钻孔后测量深度，准备一套安装杆，要求其深度与孔深一致；连接锚固件和杆件，往锚固筒中灌注水泥砂浆；利用安装杆将组装好的测试器送至测试点，利用杆件间的相对移动挤出水泥，完成第一个测点的安装，将锚固筒锚固于孔；卸下安装杆，重复上述步骤，安装其他测试点；清理孔口，按顺序把连接各侧头并套入护管和把连接面板的测头锚固筒插入孔口，并保持1m左右的测量空间。

3.2 变形监测内容及频率

煤矿留巷软弱围岩变形监测点选取很重要，关系着监测结果的可靠与准确。综合考虑测量方法的可操作性和可靠性、成本和指导作用等因素，选取拱顶下沉和周边水平收敛作为变形监测必测项目，用于日常施工管理使用。

布置监控测量点，对初支变形段在施工过程中产生的变化进行观测，提供数据指导换拱施工。监控量测的频率根据相应规范要求进行，由于原初期支护变形量大，每天监测频次不少于4次，监测结果及时反馈。如果发现围岩变形突变，应该马上停止换拱施工，分析突变原因，并及时向相现场管理人员汇报，研究进一步处理方案。

3.3 分析

根据初期支护断面测量检测成果，确定初期支护拱架替换里程段落，为防止换拱作业过程中初期支护变形，在换拱施工前对换拱段落初期支护进行全断面注浆预加固处理，然后再采用风镐凿除两榀拱架之间喷射混凝土，重新安装I20钢拱架进行二次初期支护。

由于测量过程中人为或是外界（气候、环境等）的影响，需用数学方法对实测数据进行处理，规避因测量结果存在偶然误差而引起的离散性，或是减少离散性对结果的影响。综合考虑台阶法施工中，对下一台阶的开挖会对上一级或是已开挖煤矿留巷上层围岩产生二次扰动，利用回归分析法对煤矿留巷断面测量的原始数据进行曲线拟合，使得结果更加科学、合理，更有利于指导实践。

4 结论

小煤柱开采沿空掘巷技术具有掘进率低、采出率高等优点，在贵州盘江精煤股份有限公司等煤矿使用效果良好，对条件适宜的矿井有一定的推广价值。

[参考文献]

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