平朔公司井工二礦地表沉陷與控制研究

文/孟璋 何興華

平朔公司井工二礦地表沉陷與控制研究

文/孟璋 何興華

中煤平朔公司井工二礦在傾向長壁式開采遇到煤柱開采穩(wěn)定性等技術(shù)問題，通過應(yīng)用數(shù)值模擬和理論分析等研究方法，對(duì)煤柱應(yīng)力分布規(guī)律及煤柱穩(wěn)定性等問題進(jìn)行探索和研究。通過數(shù)值計(jì)算，得到合理的地表沉陷控制理論，既提高了資源回收率，又取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

一、井工二礦地質(zhì)概況

1. 地質(zhì)賦存條件、儲(chǔ)量及開采層數(shù)

井工二礦井田位于寧武煤田北端，由6個(gè)拐點(diǎn)圈定，原井田面積4.26km2，可采儲(chǔ)量9491萬噸。井田主要可采煤層為4#、9#、11#，賦存穩(wěn)定，構(gòu)造簡(jiǎn)單，傾角為0°～5°，局部地段大于12°。

2. 開采深度、煤層頂?shù)装鍡l件

4#煤老頂以粗粒砂巖、中粒砂巖、細(xì)粒砂巖為主，部分為中粗砂巖與含礫石粗砂巖，厚度為2.30～26.96m，一般為4～16m。偽頂零星分布于井田內(nèi)，巖性主要為泥巖、砂質(zhì)泥巖、炭質(zhì)泥巖，其次為細(xì)砂巖、高嶺質(zhì)泥巖，厚度為0.03～0.75m。底板主要為砂質(zhì)泥巖、炭質(zhì)泥巖、高嶺質(zhì)泥巖、粉砂巖、細(xì)砂巖，厚度為0.15～4.71m，一般為0.50～3.00m。

9#煤煤層埋藏深度約170m；煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，含夾矸2～5層，夾矸厚度0.03～2.8m，一般厚0.4m；煤層硬度系數(shù)f=2.7；煤層頂、底板巖性：直接頂厚0.6～8.4m，巖性為泥巖或砂泥巖，老頂厚4～10m，巖性為中粗砂巖，直接底厚0.7～6.54m，巖性為砂質(zhì)泥巖和炭質(zhì)泥巖；煤層傾角2°～5°。

二、傾向長壁式采煤法開采圍巖變形特性及礦壓規(guī)律

1.巖石在三向壓縮應(yīng)力作用下的變形特性和機(jī)理

多數(shù)情況下，巖石的三向壓縮應(yīng)力是通過σ2＝σ3的圍壓加載來實(shí)施的，通常被稱為“假三軸”實(shí)驗(yàn)。在這一加載條件下，巖石的變形特性將受到圍壓的影響。具有以下基本特性：

（1）隨著圍壓的增加，巖石的強(qiáng)度隨之提高；

（2）總體來說，巖石的彈性模量有隨圍壓增大而增大的趨勢(shì)，但增幅不大；

（3）隨著圍壓的增加，峰值應(yīng)力所對(duì)應(yīng)的應(yīng)變值有所增大。其變形特性表現(xiàn)出低圍壓下的脆性向高圍壓的塑性轉(zhuǎn)換的規(guī)律。

當(dāng)作用的外荷載較小時(shí)，體積應(yīng)變主要表現(xiàn)為線性特征，且?guī)r石的體積隨荷載的增大而減小。然而，當(dāng)外荷載達(dá)到一定的值之后，體積應(yīng)變經(jīng)過了保持不變的階段，開始發(fā)生膨脹現(xiàn)象。

2. 壁式開采礦山壓力規(guī)律

（1）巖梁承受的載荷

根據(jù)平朔井工二礦頂板特點(diǎn)，頂板在多層巖梁復(fù)合作用下，載荷q的確定應(yīng)該考慮頂板各層之間的互相影響。頂板由一層以上的巖層所組成，因此在計(jì)算第一層巖層的極限強(qiáng)度跨距時(shí)所應(yīng)考慮的載荷大小，應(yīng)根據(jù)頂板各層之間的互相影響來確定。第n層對(duì)第一層綜合影響形成的載荷：

當(dāng)計(jì)算到時(shí)，即以作為施加于第一層巖層上的載荷，而第n+1層以上巖層的重量將不對(duì)第一層施加影響。此時(shí)即可利用上式的結(jié)果作為巖梁所受載荷來計(jì)算煤房的極限跨度。

根據(jù)平朔二號(hào)井工礦巖層的厚度、容重及彈性模量等指標(biāo)參數(shù)，從第一個(gè)頂板分層開始計(jì)算頂板巖層載荷值。

計(jì)算結(jié)果可得：(q3)1< (q2)1，所以下部的頂板將與其第三層頂板發(fā)生分離，只有下部兩個(gè)分層的重量加于第一分層上，成為第一分層的載荷。

（2）煤柱尺寸的確定

根據(jù)巖梁承受的載荷，按極限強(qiáng)度理論，煤柱上方支撐的總載荷為：

令煤柱允許的抗壓強(qiáng)度為，則煤柱能支撐的最大載荷P為：

故理論計(jì)算所得的合理的煤柱寬度為10～15m。

三、傾向長壁式采煤法對(duì)地表沉陷的影響

通過對(duì)不同寬度煤柱尺寸模型的計(jì)算，12m、13m、14m、15m、16m寬度煤柱及不同推進(jìn)距條件下深度為119m、159m、173m等關(guān)鍵巖層下沉規(guī)律分析得出以下規(guī)律：

1．159m巖層的下沉與地表下沉同步；下沉量連續(xù)，即沒有出現(xiàn)斷裂和冒落現(xiàn)象；當(dāng)達(dá)到充分采動(dòng)時(shí)，采空區(qū)中央兩邊的巖體下沉量基本相同。

2．173m關(guān)鍵層的破裂將導(dǎo)致上覆巖層的同步斷裂和地表的快速下沉；當(dāng)煤柱寬度為12m、13m時(shí)，巖層在重力作用下發(fā)生分離、彎曲。當(dāng)煤柱寬度為14m時(shí)，同樣巖層在重力作用下發(fā)生分離、彎曲。當(dāng)煤柱寬度為15m、16m時(shí)，煤柱的支撐能力較大，關(guān)鍵層彎曲程度較小，控制了采場(chǎng)的冒落和地表沉陷。

3．留設(shè)煤柱越寬，關(guān)鍵巖層下沉量越小。

四、地表沉陷的控制理論

1.在采動(dòng)過程中首先引起其周圍巖層中的原始應(yīng)力的重新分布——附加應(yīng)力。當(dāng)附加應(yīng)力大于原始應(yīng)力時(shí)，形成高應(yīng)力區(qū)或集中應(yīng)力區(qū)，該區(qū)域是井巷煤層開采的最不利位置；當(dāng)附加應(yīng)力小于原始應(yīng)力時(shí)，形成低應(yīng)力區(qū)或卸壓區(qū)，該區(qū)域有利于井巷煤層開采。

2.煤柱寬度為12m或13m時(shí)，煤柱承載能力較低或基本不承載，在支承壓力作用下，煤柱整體進(jìn)入破碎狀態(tài)，造成關(guān)鍵層的破斷和老頂大面積的冒落，從而引起地表的快速沉陷；底板巖層在煤幫高應(yīng)力的作用下也向巷道和采空區(qū)方向移動(dòng)，引起底板底鼓，造成工作面的大面積損壞。

3.煤柱寬度為14m或15m時(shí)，煤柱承載能力較強(qiáng)，在支承壓力作用下，煤柱基本處于彈塑性應(yīng)力狀態(tài)，只有小面積的直接頂垮落和微小的底板底鼓，確保了關(guān)鍵層的托板作用，得以控制地表沉陷，保證了工作面的安全生產(chǎn)。

4.煤柱寬度為16m時(shí)，煤柱承載能力明顯增大，隨工作面的推進(jìn)，煤柱幾乎完好無損，且均勻地承擔(dān)上覆巖體的壓力，完全可以有效控制地表沉陷，減少底板的底鼓量，保證工作面的安全生產(chǎn)。

中國礦業(yè)大學(xué)安全工程學(xué)院）

李元）